Paper Title (use style: paper title)

KONSTAN: Jurnal Fisika dan Pendidikan Fisika (ISSN.2460-9129)
Vol. 2, No. 1, September 2016
PENGARUH PEMBERIAN MEDAN MAGNET TERHADAP
KONSTANTA DIELEKTRIK MATERIAL AgCrO2
1
1
Lalu A. Didik
Dosen Program Studi Tadris Fisika Fakultas Ilmu Tarbiyah dan Keguruan (FITK) IAIN Mataram
ABSTRAK
Suatu material dapat mengalami polarisasi dalam suatu medan magnet atau magnetisasi di bawah pengaruh medan
listrik yang sering disebut sebagai material multiferroik. Telah dilakukan pengukuran nilai konstanta dielektrik di
bawah pengaruh medan magnet dari material multiferroik AgCrO 2 dengan variasi kuat medan magnet 0 mT, 5 mT, 10
mT, 15 mT, 20 mT dan 25 mT. Medan magnet dihasilkan oleh dua set kumparan 1000 lilitan dengan sumber tegangan
sebesar 220 V. Kuat medan magnet diukur menggunakan teslameter dan konstanta dielektrik diukur menggunakan LCR
meter. Berdasarkan hasil pengukuran didapatkan nilai konstanta dielektrik sebesar 29,6; 33,32; 36,46; 41,17; 42,37;
48,42. Tampak bahwa semakin besar kuat medan magnet, semakin besar nilai konstanta dielektrik. Peningkatan
konstanta dielektrik disebabkan karena senyawa ini mengalami magnetisasi yang mengakibatkan menurunnya medan
listrik efektif di antara plat. Akibatnya kapasitansi akan meningkat dan konstanta dielektrikpun meningkat.
Kata kunci : Multiferroik, AgCrO2, Medan Magnet, Konstanta Dielektrik
PENDAHULUAN
Konstanta dielektrik merupakan ukuran
kemampuan suatu material untuk menyimpan
muatan listrik (Barsoum, M. E. 2003; Chi Kao,
Kwan. 2004; Newnham, R. E. 2005). Dalam bentuk
skalar, definisi ini dituliskan sebagai,
D = ɛE
(1)
dimana D displacement elektrik yang diukur
(C/m2), ɛ merupakan permeativitas listrik dan E
adalah medan listrik (V/m). Konstanta dielektrik
(ɛr) merupakan nilai perbandingan relatif antara
permeativitas material dengan permeativitas ruang
hampa udara,
ɛr = ɛ / ɛ0
(2)
dimana ɛ0 = 8,85 x 10-12 F/m. Secara umum,
Displacement elektrik merupakan jumlah muatan
yang disimpan pada elektrode ditambah Polarisasi
(C/m2)
D = ɛ0 E + P
(3)
Secara sederhana besarnya polarisasi
disebabkan oleh 4 sumber yaitu : (a) komponen
elektronik yang disebabkan oleh induksi medan
pada awan elektron yang mengelilingi tiap atom
pada suatu material, (b) konstribusi ionik yang
diasosiasikan dengan gerak relatif kation dan anion
dalam medan elektrik, (c) Polarisasi orientasional
disebabkan karena rotasi dipol molekul dalam
medan. Selain ketiga penyebab tersebut, sumber
polarisasi suatu material juga disebabkan oleh
pergerakan pembawa muatan, yaitu perpindahan
ion atau elektron dibawah pengaruh medan listrik.
Pengukuran Konstanta Dielektrik.
Pada saat medan listrik diberikan pada dua
plat logam sejajar yang terpisah sejauh d akan
mengasilkan adanya sejumlah muatan yang
tersimpan pada plat logam sejajar tersebut. Hal ini
disebabkan muatan bergerak yang dihasilkan oleh
perbedaan potensial tidak dapat menyeberangi plat
karena di antara kedua plat terdapat material
dielektrik. Material dielektrik merupakan material
yang tidak dapat menghantarkan arus listrik
(Andersen, J.C. 1990; Vlack Van. H. L. 1964).
Kemampuan untuk menyimpan muatan disebut
kapasitansi yang didefiniskan sebagai muatan yang
tersimpan dibagi tegangan yang digunakan,
C = q/V
(4)
KONSTAN: Jurnal Fisika dan Pendidikan Fisika (ISSN.2460-9129)
Dimana C memiliki satuan Couloumb per Volt atau
Farad.
Vol. 2, No. 1, September 2016
Jika medan potensial listrik diberikan (tanpa
pengaruh medan magnet) pada sebuah kristal
dengan potensial seperti persamaan diatas, akan
menghasilkan magnetisasi sebesar,
(8)
(a)
Sebaliknya, polarisasi elektrik yang timbul saat
medan magnet bernilai nol sebesar,
(9)
Fenomena ini sering disebut sebagai efek
magnetoelektrik linier. Efek magnetoelektrik linier
hanya muncul pada material ferromagnet dan
terlarang bagi semua material diamagnet serta
paramagnet (Authier, A. 2003).
Berdasarkan hubungan tersebut, kita dapat
menurunkan persamaan untuk mendiskripsikan
hubungan antara magnetisasi dan polarisasi.
Persamaan 8 menunjukkan kebergantungan
suseptibilitas
dielektrik
dan
sebagai
konsekuensinya permeativitas listrik relative
(konstanta dielektrik) pada medan magnet. Seperti
halnya persamaan 8, persamaan 7 menunjukkan
bahwa suseptibilitas magnet bergantung pada
medan listrik (Authier, A. 2003). Berdasarkan
persamaan 7, tampak bahwa nilai magnetisasi
berbanding lurus dengan timbulnya medan listrik
(polarisasi). Semakin besar medan magnet yang
diberikan akan meningkatkan polarisasi elektronik
sehingga akan meningkatkan nilai konstanta
dielektrik material tersebut (Authier, A. 2003).
(b)
Gambar 1. Kapasitor Plat Paralel (a) Disisipi Udara (b)
Disisipi Bahan Dilektrik (Barsoum, M.
2003).
Kapasitansi bergantung pada luas plat, jarak
antara kedua plat dan material dielektrik antara
kedua plat. Sehingga kita dapat menuliskan
kapasitansi pada kapasitor plat paralel sebagai,
C = ɛr ɛ0 A/d
(5)
Dimana,
ɛr = C/Cudara
(6)
ɛr merupakan konstanta dielektrik dan biasa disebut
permeativitas relatif.
METODE PENELITIAN
A. Penyiapan Sampel
Sintesis AgCrO2 dilakukan dengan metode
solid state reaction bahan dasar Ag2O dan Cr2O3.
Semua bahan ditimbang terlebih dahulu kemudian
digerus selama 2 jam. Setelah digerus, bahan
dikompaksi dengan tekanan 3 ton atau sekitar 200
bar. Bahan dipanaskan pada suhu 11500C
menggunakan metode isothermal sintering dengan
lama penahanan selama 12 jam dan dengan
C per jam.
Sampel yang dihasilkan dalam bentuk pelet
dengan ketebalan 3, 11 mm dan diameter 11, 23
mm.
Magnetodielektrisitas
Pada tahun 1894 Curie menemukan bahwa
material dapat mengalami polarisasi dalam medan
magnet atau mengalami magnetisasi dalam medan
listrik. Prediksi ini telah diberikan dengan lebih
teliti oleh Landau dan Lifshitz (Authier, A. 2003;
Malashevich, A. 2010) yang mengungkapkan
hubungan antara polarisasi elektronik dengan
magnetisasi suatu material. Landau dan Lifshitz
menjelaskan hubungan antara polarisasi dan
magnetisasi dengan menggunakan ekspansi
kenaikan potensial termodinamika di dalam
material tersebut. Untuk material yang termasuk
dalam grup titik, potensial termodinamika dapat
dituliskan sebagai,
B. Karakterisasi Sifat Dielektrik
Setelah didapatkan sampel berbentuk pelet,
sampel kemudian dikarakterisasi sifat dielektrik dan
(7)
2
KONSTAN: Jurnal Fisika dan Pendidikan Fisika (ISSN.2460-9129)
magnetodielektrik menggunakan set peralatan LCR
meter lengkap dengan sumber tegangan 220 V dan
dua buah kumparan 1000 lilitan untuk
membangkitkan medan magnet serta militeslameter
untuk mengukur besarnya medan magnet yang
digunakan.
Vol. 2, No. 1, September 2016
Data keluaran dari LCR meter berupa nilai
kapasitansi material. Nilai konstanta dielektrik
dihitung menggunakan persamaan 5.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Data hasil pengukuran konstanta dielektrik
di bawah pengaruh variasi medan magnet
ditunjukkan pada tabel 1.
Tabel 1. Data Hasil Pengukuran Kapasitansi dan
Penghitungan Konstanta Dielektrik Di Bawah
Pengaruh Medan Magnet
No
Variasi
Medan
Magnet
(mT)
Kapasitansi Konstanta
(pF)
Dielektrik
1
0
8,34
29,60
2
5
9,39
33,32
3
10
10,33
36,46
Gambar 2 Set Alat Ukur Magnetodilektrisitas
4
15
11,60
41,17
Variasi medan magnet yang digunakan
adalah 5 mT, 10 mT, 15 mT, 20 mT, dan 25 mT.
Variasi medan magnet didapatkan dari variasi
besarnya beda potensial yang dihasilkan oleh
sumber tegangan.
5
20
11,94
42,37
6
25
13,65
48,42
Ag2O + Cr2O3
Ag2O ditimbang
Adanya pengaruh medan magnet pada saat
pengukuran konstanta dielektrik akan menghasilkan
peningkatan nilai konstanta dielektrik. Gambar 4
menunjukkan grafik magnetodieletrisitas senyawa
ferroelektrik AgCrO2. Tampak bahwa peningkatan
medan magnet akan mengakibatkan peningkatan
nilai kapasitansi material.
2 AgCrO2
Cr2O3 ditimbang
Dicampur dan digerus selama 2 jam
Dikompaksi dengan tekanan 200 bar
Dipanaskan pada suhu 1150 0C
selama 12 jam dengan kenaikan suhu
200 0C per jam
Karakterisasi Magnetodielektrisitas menggunakan
LCRmeter dengan variasi medan magnet
Pembahasan dan Kesimpulan
Gambar 4. Grafik Hubungan Antara Variasi Medan
Magnet dengan Kapasitansi dan Konstanta
Dielektrik Material AgCrO2
Gambar 3. Diagram Alir Penelitian
3
KONSTAN: Jurnal Fisika dan Pendidikan Fisika (ISSN.2460-9129)
Berdasarkan persamaan 8 tentang coupling
magnetodielektrik
dapat
dijelaskan
bahwa
peningkatan konstanta dielektrik disebabkan karena
senyawa ini mengalami magnetisasi yang
mengakibatkan menurunnya medan listrik efektif di
antara plat. Akibatnya kapasitansi akan meningkat
dan
konstanta
dielektrikpun
meningkat
(Malashevich, A. 2010).
Untuk menjelaskan tentang coupling
magnetik – elektrik digunakan efek MaxwellWagner (Mitsuda, S dkk. 2010). Ilustrasi
pergerakan domain magnetik pada peristiwa
magnetoelektrik ditunjukkan pada Gambar 5.
Dispersi dielektrik dalam bentuk pergerakan
dinding domain 4SL dihubungkan dengan
displacement oksigen dekat dinding – dinding
domain magnetik.
Vol. 2, No. 1, September 2016
karena pergerakan dinding domain magnetik
disertai pergerakan momen dipol elektrik dekat
domain magnetik. Hal ini akan mengakibatakan
respon dielektrik. Akibatnya momen dipol elektrik
meningkat yang tentunya akan meningkatkan
konstanta dielektrik.
DAFTAR PUSTAKA
Andersen, J.C. 1990. Material Science Fourth Edition.
Chapman and Hall : London
Authier,
A.
2003.
International
Tables
of
Crystallography Volume D : Physical
Properties of Crystal. Kluwer Academic
Publisher
Barsoum, M. W. 2003. Fundamentals of Ceramics. IOP
Publishing
Chi Kao, Kwan. 2004. Dielectric Phenomena in Solids.
Elsevier Academic Press : California
Malashevich, A. 2010. Theory of Orbital Magneto
Elektrik. Response. New Journal of Physics 12.
053032
Mitsuda S, Yamano M, Kuribara K, Nakajima T,
Masuda K, Yoshitomi K, Terada N, Kitazawa
H, Takenaka K, Takamasu T. 2010. Dielectric
Relaxation in a Nonferroelectric Phase of
Magnetoelectric Multiferroic CuFeO2. Journal
of Physics : Conference series 200, 012120
Newnham, R. E. 2005. Properties of Material. Oxford
University Press : New York
Vlack Van. H. L. 1964. Material Science for Engineers.
USA : Addision – Wesley Publishing
Company, Inc.
Gambar 5. Gambar Skematik Struktur Magnetik 4SL dan
Displacement Ion Oksigen Akibat Coupling
Magneto-electrik (Mitsuda, S dkk. 2010).
Biografi Penulis
Ion Oksigen yang terletak pada pusat kisi
triangular bergerak dari spin paralel menuju spin
anti paralel yang memberikan keuntungan karena
adanya pertukaran energi. Sebagai akibatnya,
tampak pada Gambar 5 di atas bahwa displacement
ion oksigen disebabkan oleh pergerakan dinding
doamain 4SL sepanjang sumbu hexagonal [110].
Sebagai catatan displacement tersebut bersifat 3
Dimensi bukan 2 Dimensi. Oleh karena itu,
pergerakan dinding domain magnetik disertai
pergerakan momen dipole elektrik dekat domain
magnetik akan mengakibatakan respon dielektrik.
Akibatnya momen dipol elektrik meningkat yang
tentunya akan meningkatkan konstanta dielektrik.
Lalu A. Didik, lahir di Praya, 27 Mei 1989. S1
ditempuh di Universitas Negeri Malang dan S2
ditempuh di Universitas Brawijaya. Selama kuliah
konsen pada penelitian Fisika Material dan aktif sebagai
Asisten Peneliti pada grup penelitian Teknologi Sistem
dan Material Maju (ASMAT). Saat ini penulis aktif
sebagai Dosen Prodi Tadris Fisika IAIN Mataram.
E-mail : [email protected]
SIMPULAN DAN SARAN
Adanya pengaruh medan magnet pada saat
pengukuran konstanta dielektrik akan menghasilkan
peningkatan nilai konstanta dielektrik senyawa
AgCrO2.
Peningkatan nilai konstanta dilektrik
karena pengaruh medan magnet ini disebabkan
4