BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar
Belakang
Magnet tentu saja bukan merupakan suatu kata yang
baru untuk kita dengar, melainkan suatu kata yang sangat lumrah dan tak asing
di telinga kita. Magnet bahkan telah sangat banyak berperan di dalam kehidupan
manusia. Sebagai contoh penggunaan bahan magnetik adalah inti transformator,
magnet pada pengeras suara dan masih banyak lagi contoh penggunaan ahan
magnetik yang lain.
Bahan listrik khususnya bahan magnetik sudah sering
digunakan oleh masyarakat luas untuk berbagai macam aplikasi peralatan listrik
seperti yang telah disebutkan di ats. Dan tentunya peralatan tersebut didukung
oleh keamanan peralatan serta keamanan konsumen atau pengguna. Untuk itu
pengguna harus mengetahui bahan magnetik yang ada dan diperhatikan dalam
ketepatan pemilihan bahan oleh para pengguna.
Bahan-bahan dibagi menjadi 5 berdasarkan sifatnya
terhadap kemagnetannya, yaitu diamagnetik, paramagnetik, feromagnetik, anti
ferromagnetik, dan ferrimagnetik (ferri).
Untuk itu diperlukan suatu informasi bagi pengguna
agar dapat menentukan bahan-bahan magnetik yang dapat digunakan pada peralatan
listrik khususnya mengenai bahan-bahan magnetik.
1.2 Rumusan
Masalah
Berdasarkan
latar belakang diatas dapat dirumuskan beberapa permasalahan yaitu:
1. Bagaimana
penggolongan bahan-bahan magnetik dan parameter-parameter magnetik tersebut?
2. Apa
saja bahan-bahan magnetik lunak yang lain dan bahan magnet permanen?
3. Bagaimana
pengertian dan jenis-jenis magnetostriksi?
1.3 Tujuan
Penulisan
Adapun
tujuan dari penulisan laporan ini adalah :
1. Mengetahui
penggolongan bahan-bahan magnetik dan parameter-parameter magnetik.
2. Mengetahui
bahan-bahan magnetik lunak yang lain dan bahan magnet permanen.
3. Mengetahui
pengertian dan jenis-jenis magnetostriksi
1.4 Manfaat
Penulisan
Manfaat
dari pembuatan laporan ini adalah:
1. Sebagai
referensi dalam pengembangan lebih lanjut mengenai bahan magnetik.
2. Sebagai
acuan ataupun menjadi pertimbangan bagi industri kelistrikan di dalam merencanakan
pemakaian bahan magnetik sebagai bahan listrik atau bahan lain.
3. Menambah
pengetahuan mengenai bahan magnetik sebagai bahan listrik baik bagi mahasiswa
atau mahasiswi maupun bagi masyarakat umum.
1.5 Ruang
lingkup dan Batasan Masalah
Melihat
luasnya permasalahan dalam penyusunan laporan ini, maka perlu dibatasi permasalahannya
pada masalah penggolongan bahan berdasarkan sifat kemagnetan, parametet-parameternya,serta
bahan-bahan magnet lunak lain.
1.6 Sistematika
Pembahasan
Adapun
sistematika pembahasan yang digunakan dalam penulisan laporan ini adalah :
BAB
I : PENDAHULUAN
Berisikan secara lengkap gambaran umum isi tulisan,
mulai latar belakang, rumusan masalah, tujuan, manfaat, batasan masalah yang
akan dibahas dan sistematika penulisan mengenai bahan magnetik.
BAB
II: PEMBAHASAN
Dalam bab ini membahas hasil penelitian yang telah
dilakukan guna mengetahui penggolongan bahan magnetik parametet-parameternya,
serta mengetahui bahan-bahan magnet lunak lain.
BAB
III : PENUTUP
Merupakan bab yang berisikan kesimpulan dari uraian
pembahasan dan saran-saran yang menghubungkan dengan pembahasan sebelumnya.
BAB
II
PEMBAHASAN
2.1 Penggolongan
Bahan-bahan Magnetik
Menurut sifatnya terhadap adanya pengaruh
kemagnetan, bahan dapat digolongkan menjadi 5 yaitu diamagnetik, paramagnetik,
feromagnetik, anti ferromagnetik, dan ferrimagnetik (ferri).
1. Bahan
diamagnetik adalah bahan yang sulit menyalurkan garis gaya magnet (ggm).
Permeabilitasnya sedikit lebih kecil dari 1 dan tidak mempunyai dwikutub yang
permanen. Bahan-bahan diamagnetik antara lain: Bi, Cu, Au, Al2O3, Ni SO4.
2. Bahan
paramagnetik adalah bahan yang dapat menyalurkan ggm tetapi tidak banyak.
Permeabilitasnya sedikit lebih besar dari 1, susunan dwikutubnya tidak beraturan.
Bahan-bahan paramagnetik antara lain: Al, Pb, Fe2SO4, FeSO4, FeCl2, Mo, W, Ta,
Pt, dan Ag.
3. Bahan
ferromagnetik mudah menyalurkan ggm. Permeabilitasnya jauh di atas 1. Bahan
ferromagnetik antara lain: Fe, Co, Ni, Gd, Dy. Resisitivitas bahan ferromagnet
adalah rendah. Hal ini yang menyebabkan pemakaian ferromagnet terbatas pada
frekuensi rendah.
4. Teori
anti ferromagnetik dikembangkan oleh Neel seorang ilmuwan Perancis. Bahan anti
ferromagnetik mempunyai suscepbilitas positif yang kecil pada segala suhu,
tetapi perubahan suscepbilitas karena suhu adalah keadaan yang sangat khusus.
Susunan dwikutubnya adalah sejajar tetapi berlawanan arah. Bahan anti
ferromagnetik antara lain: MnO2, MnO, FeO, dan CoO.
5. Bahan
ferrimagnetik memiliki resisitivitas yang jauh lebih tinggi dibanding bahan
ferromagnet. Karena itu ferrimagnet (ferrit) layak digunakan pada peralatan yang
menggunakan frekuensi tinggi disamping arus-eddy yang terjadi padanya kecil.
Rumus bahan ferrimagnetik adalah MO. Fe2O3 (M adalah logam bervalensi 2 yaitu
Mn, Mg, Ni, Cu, Co, Zn, Cd). Contoh: ferrit, seng, nikel rumusnya adalah αNiO,
βZnO, Fe2O3 dimana α+β =1. Gambaran dwikutub bahan-bahan magnet seperti gambar
4.1
Gambar
Susunan dwikutub bahan-bahan magnetik
a. paramagnetik b. ferromagnetik
c. antiferromagnetik d.
ferrimagnetik
Istilah
bahan magnetik untuk umum yang digunakan hanyalah bahan ferromagnetik.
Bahan-bahan ferromagnetik dapat dikategorikan menjadi dua yaitu:
1. Bahan
yang mudah dijadikan magnet yang lazim disebut bahan magnetik lunak. Bahan ini
banyak digunakan untuk inti transformator, inti motor atau generator, rele,
peralatan sonar atau radar.
2. Bahan
ferromagnetik yang sulit dijadikan magnet tetapi setelah menjadi magnet tidak
mudah kembali seperti semula disebut bahan magnetik keras, bahan ini digunakan
untuk pabrikasi magnet permanen.
Sifat-sifat
bahan magnetik adalah mirip dengan sifat-sifat bahan dielektrik. Momen atom dan
molekul-molekul yang menyebabkan adanya dwikutub adalah sama dengan momen
dwikutub pada bahan dielektrik. Magnetisasi pada bahan magnet seperti halnya
polarisasi pada bahan dielektrik.
2.2 Parameter
– Parameter Magnetik
2.2.1
Permeabilitas dan susceptibilitas
magnetik
Pada perhitungan – perhitungan tentang magnet,
terdapat hubungan antara fluxi (B) dengan satuan Wb/m2 atau tesla dengan kuat
medan (H) dengan satuan A lilit/ m sebagai berikut :
B
= μ H
μ
= μr . μo
sehingga
:
B
= μr . μo . H
μ adalah permeabilitas
bahan yang merupakan hasil perkalian permeabilitas absolut (μo) dengan
permeabilitas relatif (μr) . Besarnya μo = 4. π . 10-7 H/m. Kuantitas yang
diekspresikan (μr – 1) disebut magnetisasi per unit dari intensitas maka
demikian pula dengan μr- 1. Besarnya μ untuk bahan ferromagnetik adalah tidak
konstan. Jika arus I dialirkan melalui kumparan dengan inti adalah bertambah dari
nol bertahap sehingga medan magnet dan rapat fluksi bertambah. Pada gambar kurva
OP mula – mula naik dengan tajam , kemudian setelah mencapai tahapan tertentu
kurvanya mendatar, hal ini karena B telah mencapai kejenuhan (saturasi). Pada
gambar bahan ferro setelah titik P dicapai , kemudian I diturunkan secara
bertahap, maka diperoleh kurva PQ yaitu pada saat I sama dengan nol, masih
terdapat sisa kemagnetan (Br) . Daya Koersip (coersive force) yaitu
apabila besar H akan bertambah sehingga B menjadi nol dititik R dan diperoleh
Hc . Selanjutnya prosedur diatas diulang maka didapat kurva PQRSCTP yang
disebut Jerat Histerisis magnetik yang luasnya sebanding dengan volume bahan
magnetic yang dimagnetisasi , dan kalau inti diberi arus bolak – balik akan
menimbulkan eddy current yang disebut arus pusar atau arus focoult.
Gambar.
Jerat histerisis bahan ferro
2.2.2
Momen magnetik
Jika sebuah yang dilewati arus (I) diletakan pada
rapat fluksi yang merata akan menimbulkan torsi , besar torsi akan tergantung
pada : Luas kumparan , arus dan rapat fluksi yang terpotong bidang kumparan. Momen
dwikutub magnetik hubungan dengan torsi adalah :
pm
= I . A kumparan
Pm
dengan satuan A/m2 adalah merupakan vektor yang arahnya tegak lurus terhadap
kumparan. Apabila batang magnet permanen diletakan didalam medan yang merata
akan menyebabkan torsi . Jika magnet mendapatkan kutub – kutub bebas yang berlawanan,
dikatakan sebagai momen dwikutub sebagai produk dari kuat kutub dan jarak
antara kutub-kutub.
2.2.3
Magnetisasi
Semua bahan adalah memungkinkan menghasilkan medan
magnetik , dari itu secara eksperimental untuk menimbulkan momem magnetik.
Besar momen ini per unit volume disebut magnetisasi dari madium (M) dengan
satuan C/m.dt atau A/m . Induksi magnetik (rapat fluksi) adalah penjumlahan
dari effek pada keadaan fakem suatu bahan, besar rapat fluksi (B) menjadi :
B
= μo . H + μo . M
M
=( μ – 1) . H
=
Xm . H
Xm
adalah susceptifitas magnetik . Magnetisasi (M) dari bahan dapat diekspresikan sebagai
momen dwikutub magnetik (pm) dengan satuan C. m2 / dt atau A/m2 dimana:
M
= N . pm
N
adalah jumlah dwikutub magnetic per unit volume.
Berdasarkan
susceptibilitasnya dapat dibedakan sifat kemagnetan suatu bahan yaitu untuk Xm
negatif 10-5 adalah diamagnetik, untuk Xm kecil dan positif 10-3 pada suhu
kamar (karena Xm berbanding terbalik dengan suhu) adalah paramagnetik , untuk
Xm yang besar adalah ferromagnetik .
2.3 Laminasi
Baja Kelistrikan
Cara yang paling praktis untuk mengubah bahan
magnetik lunak untuk menjadi baja kelistrikan adalah dengan menambah silikon ke
dalam komposisinya. Cara ini akan mengurangi rugi histeris dan arus pusar
dengan tajam karena relativitasnya bertambah. Paduan baja dengan tambahan
silikon sekarang ini merupakan bahan yang sangat penting untuk bahan megnetik
lunak pada teknik listrik. Namun perlu diingat bahwa penambahan silikon akan
menyebabkan bahan menjadi rapuh.
Tabel memberikan data
campuran silikon pada baja sehubungan dengan relativitas dan massa jenisnya.
Laminasi
untuk transformator umumnya mengandung Si sekitar 4%, sedangkan untuk jangkar
motor listrik kandungan Si-nya 1 – 2 %. Namun hal ini dapat diubah-ubah
berdasarkan standar masing-masing negara penghasil mesin-mesin tersebut.
Selanjutnya periksa Tabel 10.2. Ketebalan laminasi baja transformator untuk inti
peralatan listrik adalah 0,1 hingga 1 mm dan yang bisa dipasarkan adalah 0,35 mm
dan 0,5 mm dalam bentuk lembaran 2 x 1 m; 1,5 x 0,75 m. Kurva magnetisasi baja
transformator seperti ditunjukan pada Gambar. 4.3.
Gambar.
Kurva B – H baja transformator
Baja
listrik jenis lain adalah baja listrik dengan proses dingin. Kemampuan baja
listrik sangat tinggi terutama jika fluksi magnetiknya searah dengan panjang laminasi.
Karena kristal baja ini dibuat searah dengan proses dingin dan aniling pada ruang
yang diisi hidrogen. Baja ini digunakan pada pembuatan inti transformatordengan
lilitan jenis ribbon (misalnya : transformator arus). Baja ini memungkinkan
mengurangi berat dan dimensi transformator 20 hingga 25% dan untuk
transformator radio, hal tersebut dapat mencapai 40%.
2.4 Bahan
Magnetik Lunak Lain
Bahan magnetik lunak yang banyak digunakan adalah
paduan besi-nikel. Kurva pada Gambar. μo = f (f) pada permalloy menunjukkan
hubungan permeabilitas dengan komposisi antara besi dan nikel. Pada komposisi
nikel 20% paduan menjadi non-magnetis dan permeabilitas maksimum dicapai pada
komposisi nikel 21,5% . Paduan yang terdiri dari besi-nikel dengan tambahan
molybdenum, chromium atau tembaga dinamakan permalloy.
Permalloy
dibedakan berdasarkan kandungan nikelnya, permalloy nikel rendah yaitu permalloy
yang mengandung nikel 40-50% dan permalloy nikel tinggi yaitu permalloy yang
mengandung nikel 72-80 %. Permalloy nikel rendah mempunyai permeabilitas yang
lebih rendah dibanding permalloy nikel tinggi, namun induksinya lebih tinggi
pada keadaan jenuh. Permeabillitas permalloy berbanding terbalik dengan
frekuensinya, seperti yang ditunjukkan Gambar. μo = f (f) pada Permalloy yang
mengandung Ni sangat tinggi akan mempunyai permeabilitas yang tinggi (hingga
800.000) setelah diadakan tritmen termal. Daya koersipnya rendah yaitu 0,32
hingga 0,4 ampere lilit/m. Permalloy difabrikasi pada lembaran tipis hingga
sampai 3 mikron. Permalloy sensitif terhadap benturan dan kemagnetannya sangat
dipengaruhi tekanan.
Gambar.
μo = f (f) pada permalloy
Permeabilitas absolut dari paduan alfiser yang
komposisinya 9.5% Si, 5,6% Al dan sisanya besi, berkisar antara 10.000 hingga
35.000, daya koersip 1,59 Ampere lilit/m dan resitivitasnya 0,81 Ohm mm2/m
Alfiser sangat regas, sehingga sangat mudah dijadikan bubuk untuk dibuat bahan
dielektrikmagnet. Harganya lebih murah daripada permalloy karena kompsisinya
tidak tergantung Ni. Camalloy termasuk bahan magnetik lunak yang komposisinya
66,5% Ni, 30% Cu, 3,5% Fe. Yang menarik dari bahan ini adalah bahan akan kehilangan
sifat ferromagntiknya (titik Curie) pada suhu yang relative rendah yaitu 100 C
(titik Curie untuk Fe adalah 768 C).
Bahan-bahan
ferromagnetik yang berubah ukurannya pada medan magnet diantaranya Ni, beberapa
paduan antara Fe, Cr, Co dengan Al. Gejala perubahan ukuran tersebut dinamakan
magnetostriksi. Dielektrikmagnet digunakan untuk inti peralatan rangkaian
rangkaian magnetik yang bekerja pada frekuensi yang sangat tinggi dengan
kerugian arus pusar yang rendah.
Sekarang banyak digunakan Ferrit pada peralatan yang
bekerja pada frekuensi tinggi. Bahan ini adalah kompon keramik yang mempunyai
rumus umum MOFeO3. M adalah logam diantara Fe, Cu, Mn, Zn, danNi. Ferrit dibuat
dengan campuran senyawa-senyawa Oksidanya dengan perbandingan yang tepat dalam
bentuk bubuk, dengan tambahan sebikit bahan-bahan organik untuk mengikat atau
merekatkan, ditekan dan dipanasi 1100 – 1400o C di ruang yang berisi oksida.
Ferrit adalah semikonduktor yang mempunyai
resitifitas antara 102 hingga 107 Ω cm. Karena Resitivitas yang tinggi
tersebut, maka sangat tepat digunakan pada frekuensi tinggi karena rugi daya
yang disebabkan arus pusar adalah kecil. Ferrit mempunyai massa jenis 3 - 5
g/cm3 kapasitas termal 0,17 kalori/g oC, konduktivitas panas 5.10 W/cm oC, muai
panjang 105 / oC.
Tabel Bahan-bahan magnetik lunak
Keterangan
: it adalah inti toroida
1
A lilit /m = 0,0126 Oersted
1Wb/m2
= 104 Gauss
Bahan-bahan
yang mempunyai jerat histerisis persegi seperti yang ditunjukkan pada gambar
digunakkan pada komputer sebagai perangkat memory atau komponen opersi logic,
sebagai alat switching dan penyimpan informasi.
Gambar
Jerat histerisis ferrit.
2.5 Bahan
Magnet Permanen
Magnet permanen
digunakan pada instrumen pengindraan, rele, mesin-mesin listrik yang kecil dan
banyak lagi. Baja karbon yaitu baja dengan komposisikarbon 0,4 hingga 1,7 %
merupakan bahan dasar pembuatan magnet permanen. Walaupun bahan ini tergolong
harganya murah tetapi kualitas kemagnetannya tidak terlalu tinggi. Kemagnetan
bahan ini relatif lebih mudah untuk hilang terutama disebabkan oleh pukulan
atau vibrasi. Untuk menaikkan mutu kemagnetannya, mka baja karbon ditambah
wolfram, kromium atau kobal. Magnet yang dibuat dari karbon murni, wolfram,
kromium, dan baja kobal harus dikeraskan di dalam air atau minyak mineral
sebelum dimagnetisasi.
Gambar
μ0 = f(T) beberapa ferrit
Bahan
paduan alni terdiri dari aluminium, nikel dan besi . Jika bahan tersebut ditambah
lagi dengan Si, maka paduan disebut alnisi. Sedangkan alnico adalah bahan paduan
yang terdiri dari aluminium, nikel dan kobal. Bahan-bahan tersebut mempunyai
sifat kemagnetan yang tinggi dan lebih murah dibanding baja kobal kualitas
tinggi.
Vectolit adalah bahan paduan yang terdiri dari besi,
kobal oksida sedangkan ferroxdure adalah bahan paduan yang terdiri dari besi
oksida dan barium, bahan ini juga disebut barium ferrit dan di pasaran dengan
nama arnox, indox atau ferroba, pembuatannya adalah dari bubuk bahan yang akan
dipadukan pada suhu yang tinggi. Penggunaanya antara lain : magnet pada
pengeras suara,perangkat penggandeng magnetik. Beberapa sifat kemagnetan dari
bahan magnet permanen paduan seperti terlihat pada tabel berikut:
Tabel Beberapa Bahan
Magnet Keras
2.6 Magnetostriksi
Pada
saat sebuah bahan ferromagnetik diamagnetisasi, umumnya secara fisik akan
terjadi perubahan dimensi. Hal atau gejala seperti ini disebut magnetostriksi. Terdapat
tiga jenis magnetostriksi, yaitu :
a. Magnetostriksi
longitudinal, yaitu perubahan panjang searah dengan magnetisasi. Perubahan ini
dapat bertambah panjang atau berkurang.
b. Magnetostriksi
transversal, yaitu perubahan dimensi tegak lurus dengan arah magnetisasi.
c. Magnetostriksi
volume, yaitu perubahan volume sebagai akibat dari kedua efek diatas.
Perubahan
panjang atau ( Δℓl) searah induksi magnetisasi disebut Efek joule. Magnetostriksi
joule (τ ) adalah perbandingan antara perubahan panjang (Δℓ) dengan panjang
semula (ℓ). Umumnya harga tidak lebih dari 30.10-6. magnetostriksi beberapa bahan
ditunjukan pada gambar dibawah ini
Gambar.
Magnetostriksi joule sebagai fungsi dari medan magnet (H)
Perubahan
searah panjang juga menyebabkan perubahan permeabilitas kearah perubahan
panjang tersebut. Hal ini disebut Efek Villari. Secara umum dapat dikatakan
bahwa permeabilitas akan naik karena penurunan perubahan atau kenaikan tegangan
tarik. Sebaliknya untuk bahan dengan τ negatif, tekanan yang digunakan akan
mengurangi permeabilitas. Secara praktis pengaruh dari penggunaan
magnetostriksi adalah sangat terbatas. Beberapa pemakaian yang memperhatikan
magnetostriksi antara lain :
Oscilator
frekuensi tinggi dan Generator super sound, Proyektor suara bawah air, Detektor-detektor
suara. Karena permeabilitas adalah berhubungan dengan magnetostriksi, maka
untuk penggunaan bahan-bahan yang permeabilitasnya tinggi harus diusahakan
megnetostriksinya serendah mungkin.
Label: 
