BAB 2 STUDI PUSTAKA 2.1. Magnet Magnet atau magnit adalah

BAB 2
STUDI PUSTAKA
2.1. Magnet
Magnet atau magnit adalah suatu obyek yang mempunyai suatu medan magnet. Magnet dapat
dibuat dari bahan besi, baja, dan campuran logam serta telah banyak dimanfaatkan untuk industri
otomotif dan lainnya. Sebuah magnet terdiri atas magnet-magnet kecil yang memiliki arah yang
sama (tersusun teratur), magnet- magnet kecil ini disebut magnet elementer. Pada logam yang
bukan magnet, magnet elementernya mempunyai arah sembarangan (tidak teratur) sehingga
efeknya saling meniadakan, yang mengakibatkan tidak adanya kutub-kutub magnet pada ujung
logam. Setiap magnet memiliki dua kutub, yaitu: utara dan selatan. Kutub magnet adalah daerah
yang berada pada ujung-ujung magnet dengan kekuatan magnet yang paling besar berada pada
kutub-kutubnya.
2.1.1. Magnet Keramik
Keramik adalah bahan-bahan yang tersusun dari senyawa anorganik bukan logam yang
pengolahannya melalui perlakuan dengan temperatur tinggi. Kegunaannya adalah untuk dibuat
berbagai keperluan desain teknis khususnya dibidang kelistrikan, elektronika, mekanik dengan
memanfaatkan magnet keramik sebagai magnet permanen, dimana material ini dapat
menghasilkan medan magnet tanpa harus diberi arus listrik yang mengalir dalam sebuah
kumparan atau selonoida untuk mempertahankan medan magnet yang dimilikinya. Disamping
Universitas Sumatera Utara
itu, magnet permanen juga dapat memberikan medan yang konstan tanpa mengeluarkan daya
yang kontinu.
Bahan keramik bersifat magnetik umumnya merupakan golongan ferit, yang merupakan
oksida yang disusun oleh hematite ( α-Fe2O3 ) sebagai komponen utama. Bahan ini menunjukkan
induksi magnetik spontan meskipun medan magnet dihilangkan. Material ferit juga dikenal
sebagai magnet keramik, bahan ini tidak lain adalah oksida besi yang disebut ferit besi ( ferrous
ferrite ) dengan rumus kimia MO (Fe2O3 ) dimana M adalah Ba, Sr atau Pb dengan reaksi kimia
sebagai berikut :
6 Fe2O3 + SrCO3 SrO3
6 Fe2O3 + CO2
Ferit dapat digolongkan menjadi tiga kelas. Kelas pertama adalah ferit lunak, ferit ini
mempunyai formula MFe2O3, dengan M adalah Cu, Zn, Ni, Co, Fe, Mn, Mg dengan struktur
kristal seperti mineral spinel sifat bahan ini mempunyai permeabilitas dan hambatan jenis yang
tinggi, koersivitas yang rendah. Kelas kedua adalah ferit keras, ferit ini adalah turunan dari
struktur magneto plumbit yang dapat ditulis sebagai MFe2O3, dengan M adalah Ba, Sr, atau Pb.
Bahan ini mempunyai gaya koersivitas dan remanen yang tinggi dan mempunyai struktur kristal
heksagonal dengan momen-momen magnetik yang sejajar dengan sumbu c. Kelas ketiga adalah
ferit berstruktur garnet, magnet ini mempunyai magnetisasi spontan yang bergantung pada suhu
secara khusus. Strukturnya sangat rumit, berbentuk kubik dengan sel satuan disusun tidak kurang
dari 160 atom.( N. Idayanti dan Dedi, 2002)
Magnet keramik yang merupakan magnet permanen mempunyai struktur hexagonal
close-packed. Bahan yang sering digunakan dalam magnet keramik adalah barium heksaferit (
BaO.6Fe2O3). barium dapat juga digantikan bahan yang memnyerupai ( segolongan ) dengannya,
yaitu strontium (J.E. Thompson, 1968)
2.1.2. Magnet Logam
Besi bcc merupakan material magnetik paling terkenal. Ada juga magnet-magnet metalik
lain seperti Nd2Fe14B, Ni-Fe dan yang lainnya.
Universitas Sumatera Utara
Setiap tahun diproduksi dan digunakan berton-ton produk besi magnetik dalam bentuk
lembaran untuk membuat inti transformator dan komponen motor. Untuk aplikasi ini magnet
harus lunak agar bisa merespon sumber daya 60 Hz. Magnet juga harus memiliki resistivitas
yang tinggi agar dapat mengurangi kehilangan arus eddy.
Magnet metalik akan menimbulkan kerugian besar apabila digunakan pada rangkaian
frekuensi tinggi karena perubahan yang cepat dari medan magnetik akan menimbulkan aliran
arus dan kehilangan I2R di dalam inti. Ini menyebabkan mengapa pada tranformator digunakan
lapisan-lapisan tipis. (Lawrence H. Van Vlack, 2004)
2.1.3. Magnet Lunak ( Soft Magnetic)
Bahan magnetik lunak(soft magnetic) dapat dengan mudah termagnetisasi dan mengalami
demagnetisasi. Magnet lunak
mempertahankan sifat magnet pada medan magnet. Magnet
lunak(soft magnetic) menunjukkan histeresis loop yang sempit, sehingga magnetisasi mengikuti
variasi medan listrik hampir tanpa hysteresis loss. Magnet lunak(soft magnetic) digunakan untuk
meningkatkan fluks, yang dihasilkan oleh arus listrik di dalamnya. Faktor kualitas dari bahan
magnetik lunak adalah untuk mengukur permeabilitas yang sehubungan dengan medan magnet
yang diterapkan. Parameter utama lainnya adalah koersivitas, magnetisasi saturasi dan
konduktivitas listrik. Bahan magnetik lunak ideal akan memiliki koersivitas rendah (Hc), saturasi
yang sangat besar (Ms), remanen (Br) nol, hysteresis loss nol dan permeabilitas yang sangat
besar. Kurva histerisi bahan magnetik lunak ditunjukkan pada Gambar 2-1. Beberapa bahan
penting magnetik lunak diantaranya Fe, paduan Fe-Si, ferit lunak (MnZnFe2O4), besi silikon dll.(
Poja Chauhan, 2010)
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2-1. Kurva histerisis magnet lunak (soft magnetic). ( Poja Chauhan, 2010)
2.1.4. Magnet Keras (Hard magnetic)
Bahan Magnet keras(hard magnetic) juga disebut sebagai magnet permanen yang digunakan
untuk menghasilkan medan yang kuat tanpa menerapkan arus ke koil. Magnet permanen
memerlukan koersivitas tinggi, sehingga magnet harus mempunyai medan magnet yang kuat
dan stabil terhadap bidang eksternal, yang membutuhkan koersivitas tinggi. Dalam bahan magnet
keras (hard magnetic) anisotropi diperlukan magnetik uniaksial dan sifat magnetik berikut :
1. Koersivitas tinggi (high coercivity): koersivitas, juga disebut medan koersif, dari bahan
feromagnetik adalah intensitas medan magnet yang diterapkan atau diperlukan untuk
mengurangi magnetisasi bahan ke nol setelah magnetisasi sampel telah mencapai
saturasi. Koersivitas biasanya diukur dalam satuan Oersted atau ampere / meter dan
dilambangkan Hc. Bahan dengan koersivitas tinggi disebut bahan ferromagnetik keras,
dan digunakan untuk membuat magnet permanen .
2. Magnetisasi besar (large magnetization): Proses pembuatan subtansi sementara atau
magnet permanen, dengan memasukkan bahan dalam medan magnet
Universitas Sumatera Utara
Rectangular hysteresis loop: Sebuah loop hysteresis menunjukkan hubungan antara
diinduksi kerapatan fluks magnet (B) dan gaya magnet (H). bahan magnetik keras memiliki
histeresis loop yang persegi panjang. ( Poja Chauhan, 2010)
Bahan magnetik keras memiliki loop histeresis lebar karena magnetisasi yang kuat
yang ditunjukkan pada gambar 2-2.
Gambar 2-2. Kurva histerisis magnet keras (hard magnetic). ( Poja Chauhan, 2010)
.2.2. Sifat Kemagnetan Bahan
Berdasarkan sifat medan magnet atomis, bahan dibagi menjadi tiga golongan, yaitu
diamagnetik, para magnetik dan ferromagnetik.
2.2.1. Diamagnetik
Diamagnetik adalah bahan yang resultan medan magnet atomis masing-masing atom atau
molekulnya nol, tetapi orbit dan spinnya tidak nol. (D. Halliday dan Resnick R, 1978)
Bahan diamagnetik tidak mempunyai momen dipol magnet
permanen. Jika bahan
diamagnetik dibalik diberi medan magnet luar, maka elektron-elektron dalam atom akan berubah
Universitas Sumatera Utara
gerakannya sedemikian hingga menghasilkan resultan medan magnet atomis yang arahnya
berlawanan. Sifat diamagnetik bahan ditimbulkan oleh gerak orbital elektron sehingga semua
bahan bersifat diamagnetik karena atomnya mempunyai elektron orbital. Bahan dapat bersifat
magnet apabila susunan atom dalam bahan tersebut mempunyai spin elektron yang tidak
berpasangan. Dalam bahan diamagnetik hampir semua spin elektron berpasangan, akibatnya
bahan ini tidak menarik garis gaya. Permeabilitas bahan diamagnetik adalah µ < µ 0 dan
susepbtibilitas magnetiknya
< 0. Contoh bahan diamagnetik yaitu bismut, perak, emas,
tembaga dan seng. ( J.D. Kraus, 1970)
2.2.2. Paramagnetik
Paramagnetik adalah bahan yang resultan medan magnet atomis masing-masing atom atau
molekulnya tidak nol, tetapi resultan medan magnet atomis total seluruh atom atau molekul
dalam bahan nol (D. Halliday dan Resnick R, 1978)
. Hal ini disebabkan karena gerakan atom atau melekul acak, sehingga resultan medan
magnet atomis masing-masing atom saling meniadakan. Bahan ini jika diberi medan magnet
luar, maka elektron akan berusaha sedemikian rupa sehingga resultan medan magnet atomisnya
searah dengan medan magnet luar. Sifat paramagnetik ditimbulkan oleh momen magnetik spin
yang menjadi terarah oleh medan magnet luar. Pada bahan ini, efek diamagnetik ( efek timbulnya
medan magnet yang melawan medan magnet penyebabnya ) dapat timbul, tetapi pengaruhnnya
sangat kecil.
Permeabilitas bahan paramagnetik adalah µ > µ0, dan suseptibilitas magnetik bahannya
> 0. Contoh bahan paramagnetik yaitu aluminium, magnesium, wolfram dan sebagainya.
Bahan diamagnetik dan paramagnetik mempunyai sifat kemagnetan yang lemah. Perubahan
medan magnet dengan adanya bahan tersebut tidaklah besar apabila digunakan sebagai pengisi
kumparan toroida. ( J.D. Kraus, 1970)
2.2.3.Ferromagnetik
Universitas Sumatera Utara
Ferromagnetik adalah bahan yang mempunyai resultan medan atomis besar (D. Halliday
dan Resnick R, 1978). Hal ini terutama disebabkan oleh momen magnetik spin elektron. Pada
bahan ferromagnetik banyak spin elektron yang tidak berpasangan, misalnya pada atom besi
terdapat empat buah spin elektron yang tidak berpasangan. Masing-masing spin elektron yang
tidak berpasangan ini akan memberikan medan magnetik, sehingga totsl medan magnetik yang
dihasilkan oleh suatu atom lebih besar. Medan magnet dari masing-masing atom dalam bahan
ferromagnetik sangat kuat, sehingga interaksi diantara atom-atom tetangganya menyebabkan
sebahagian besar besar atom akan mensejajarkan diri membentuk kelompok-kelompok.
Kelompok atom yang mensejajarkan dirinya dalam suatu daerah dinamakan domain.
Bahan ferromagnetik sebelum diberi medan magnet luar mempunyai domain yang momen
magnetiknya kuat, tetapi momen magnetik ini mempunyai arah yang berbeda-beda dari satu
domain ke domain yang lain sehingga medan magnet yang dihasilkan tiap domain saling
meniadakan.( Y. Surya dan Ananta, S. 1986)
Bahan ferromagnetik jika diberi medan magnet dari luar, maka domain-domain ini akan
mensejajarkan diri searah dengan medan magnet dari luar. Semakin kuat medan magnetnya
semakin banyak domain-domain yang mensejajarkan dirinya. Akibatnya medan magnet dalam
bahan ferromagnetik akan semakin kuat. Setelah seluruh domain terarahkan, penambahan medan
magnet luar tidak memberi pengaruh apa-apa karena tidak ada lagi doamin yang disearahkan.
Keadaan ini dinamakan jenuh atau keadaan saturasi
Permeabilitas bahan ferromagnetik adalah µ >>> µ0 dan suseptibilitas bahannya
> >>
0. Contoh bahan ferromagnetik yaitu : besi, baja, besi silikon dan lain-lain. Sifat kemagnetan
bahan ferromagnetik ini akan hilang pada temperatur yang disebut temperatur Currie.
Temperatur Currie untuk besi lemah adalah 7700, dan untuk baja adalah 10430C.( J.D. Kraus,
1970)
2.3. Metode Metalurgi Serbuk
Universitas Sumatera Utara
Secara prinsip ada dua metode utama yang digunakan untuk membuat magnet. Pertama
menggunakan teknologi pengecoran atau pelelehan, dan yang kedua adalah dengan
menggunakan teknologi metalurgi serbuk. (A. Goldman, 1991)
Produksi magnet dengan teknologi pengecoran biasanya menghasilkan bahan magnet
yang lebih baik, tetapi dalam beberapa prosesnya memerlukan energi panas yang sangat besar
sehingga dipandang tidak efisien. Sedangkan produksi dengan teknologi metalurgi serbuk, meski
sifat magnet yang diperoleh bukan yang tertinggi, tetapi dalam pengerjaannya lebih mudah dan
lebih efisien. Dalam praktiknya, pembuatan magnet dengan cara kedua ini memerlukan bahan
dasar berupa serbuk yang berukuran sangat kecil, yaitu dalam orde micrometer ( 10 -6m). Ukuran
serbuk sekecil ini diperlukan agar komponen-komponen pembentuk bahan magnet dapat saling
berdeposisi ( bereaksi ) ketika bahan mengalami pemanasan ( kalsinasi ). Bagaimana dilakukan
oleh beberapa peneliti, penyediaan serbuk bahan magnetik yang halus biasanya dilakukan
dengan menggunakan mesin ball milling.(Ridwan, 2003)
2.4. Karakterisasi Material Magnet Permanen Barium Heksaferit
2.4.1. Sifat Fisis
1. Densitas
Salah satu sifat yang penting dari suatu bahan adalah densitas. Densitas didefenisikan sebagai
massa per satuan volum. Jika suatu bahan yang materialnya homogen bermassa m memiliki
volume v , densitasnya ρ adalah:
(defenisi densitas)
(2-1)
Secara umum, densitas suatu bahan tergantung pada faktor lingkungan seperti suhu dan
tekanan.(Young D.Hugh,2000)
Dalam pelaksanaannya kadang-kadang sampel yang diukur mempunyai ukuran bentuk yang
tidak teratur sehingga untuk menentukan volumenya menjadi sulit, akibatnya nilai kerapatan
yang diperoleh tidak akurat. Untuk menentukan rapat massa (bulk density) dari suatu bahan
mengacu pada standar (ASTM C 373). Oleh karena itu untuk menghitung nilai densitas suatu
Universitas Sumatera Utara
material yang memiliki bentuk yang tidak teratur (bulk density) digunakan metode Archimedes
yang persamaannya sebagai berikut:
(2-2)
Dimana :
ρ = Densitas sampel (g/cm3)
ρair = Densitas air (g/cm3)
= Massa sampel setelah dikeringkan di oven (g)
= Massa sampel setelah direndam 24 jam/direbus 1 jam (g)
= Massa kawat (g)
2. Porositas
Porositas dapat didefenisikan sebagai perbandingan antara jumlah volume lubang-lubang
kosong yang dimiliki oleh zat padat (volume kosong) dengan jumlah dari volume zat padat yang
ditempati oleh zat padat. Porositas pada suatu material dinyatakan dalam persen (%) rongga
fraksi volume dari suatu rongga yang ada di dalam material tersebut. Besarnya porositas pada
suatu material bervariasi mulai dari 0 % sampai dengan 90 % tergantung dari jenis dan aplikasi
material tersebut.
Ada dua jenis porositas yaitu porositas terbuka dan porositas tertutup. Porositas yang
tertutup pada umumnya sulit untuk ditentukan karena pori tersebut merupakan rongga yang
terjebak di dalam padatan dan serta tidak ada akses ke permukaan luar, sedangkan pori terbuka
masih ada akses ke permukaan luar, walaupun ronga tersebut ada ditengah-tengah padatan.
Untuk pengukuran porositas suatu bahan mengacu pada standar (ASTM C 373), khususnya
untuk material berpori.
Porositas suatu bahan pada umumnya dinyatakan sebagai porositas terbuka atau apparent
porosity, dan dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut:
(2-3)
Dimana:
P = Porositas (%)
Universitas Sumatera Utara
= Massa sampel setelah dikeringkan di oven (g)
= Massa sampel setelah direndam 24 jam/direbus 1 jam (g)
Mg = Massa sampel basah ditimbang dalam air (g)
2.4.2. Sifat Mikrostruktur
1. XRD
Difraksi sinar-X merupakan suatu alat yang sangat berguna dalam analisis struktur kristal
suatu material. Keunggulan yang dimiliki dalam teknik ini adalah instrumennya modern dan
secara otomatis dapat diperoleh data yang cepat dan tepat. (B.D. Cullity, 1978)
Sinar-X diproduksi dengan cara penembakan target logam (anoda) dengan elektron
energi tinggi dari sebuah filamen yang dipanaskan dalam tabung Rontgen sinar-X seperti yang
terlihat pada gambar 4. Radiasi yang biasanya dihasilkan muncul dari jendela tipis yang terbuat
dari material berilium dan terdiri dari sebuah radiasi kontinu dengan pita yang lebar atau radiasi
putih yang dihasilkan oleh elektron dari filamen yang mengkonversikan energi kinetiknya pada
sinar-X pada saat menumbuk atom target anoda dan sejumlah garis-garis diskrit dengan
intensitas bervariasi yang disebut karakteristik radiasi yang merepretasikan pelepasan energi
dengan penyusun kembali orbit elektron dari atom target anoda yang diikuti penolakan satu atau
lebih elektron pada saat eksitasi.
Gambar 2.3 . Penampang tabung Rongen sinar-X (B.D. Cullity, 1978)
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.4. Spektrum dari atom target anoda Cu tabung sinar-X (B.D. Cullity, 1978)
Gambar 5. menunjukkan skema geometri salah satu jenis difraktometer. Pertama sinar-X
dilewatkan pada kolimator untuk menghasilkan berkas paralel, jumlah divergensinya dikontrol
oleh ukuran celah divergensi yaitu celah divergensi besar (40) untuk sudut kerja tinggi sampai
celah divergensi kecil (1/120) untuk sudut kerja rendah. Berkas divergen kemudian diarahkan
pada sampel bergerak secara rotasi dengan kelajuatn tetap dalam derajat per menit. Bila bidangbidang mineral dalam sampel mencapai sudut yang sesuai, maka sinar-X akan didifraksikan
berdasarkan pada hukum Bragg berikut:
(2-4)
Dimana n adalah bilangan integer,
dalam angstrom, dan
adalah panjang gelombang sinar-X, d adalah spasi kisi
adalah sudut difraksi. Berkas terdifraksi kemudian melewati celah
penerima dan kolimator dan kemudian celah penghambur untuk mengurangi sinar-X terhambur
sebelum akhirnya masukj ke detektor. Sinyal yang dihasilkan oleh foton sinar-X pada detektor,
pertama-tama diperkuat dan kemudian direkam oleh peralatan elektronik untuk kemudian
ditampilkan di layar.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.5. Skema geometri difraktometer (B.D. Cullity, 1978)
2.4.3. Sifat Absorbsi terhadap Gelombang Mikro
Bahan penyerap gelombang mikro (MAM, Microwave Absorber Materials) ideal
memiliki nilai rugi refleksi maksimum (RLm, maximum Reflection Loss) ≤ -20 dB, rentang
frekuensi terserap yang lebar, densitas rendah, ringan, mudah desain, murah dan stabil terhadap
pengaruh lingkungan. Fe3O4 merupakan salah satu bahan penyerap gelombang mikro. (Mashuri,
2012)
Karakteristik penyerapan gelombang elektromagnetik dipengaruhi oleh permeabilitas,
permitivitas, resistivitas, konduktivitas, frekuansi dan tebal lapisan.
Gelombang mikro juga dimanfaatkan pada RADAR. RADAR digunakan untuk mencari
dan menentukan jejak suatu benda dengan gelombang mikro dengan frekuensi sekitar 1010Hz. (
Marlin R. Baidillah, 2008)
1. VNA (Vector Network Analyzer)
Network analyzer digunakan untuk mengukur karakteristik linear frekuensi radio (RF) dari
komponen dan perangkat.
Jaringan adalah istilah yang sering digunakan yang memiliki banyak definisi modern.
Sehubungan dengan network analyzer, network adalah sekelompok komponen listrik yang saling
berhubungan.
Universitas Sumatera Utara
Incident wave (R)
Transmitted wave (B)
Reflected wave (A)
Gambar 2.6.
Transmisi (T) dan Refleksi (Г) Koefisien
Salah satu fungsi dari network analyzer adalah untuk mengukur impedansi ketidaksesuaian
antara dua komponen RF untuk memaksimalkan efisiensi daya dan integritas sinyal. Setiap kali
sinyal RF meninggalkan satu komponen dan memasuki lain disebut sebagai sinyal yang
dipantulkan dan ditransmisikan.
Universitas Sumatera Utara