Sifat magnet suatu material adalah kelas fenomena fisik yang dimediasi oleh medan. Arus listrik dan momen magnetik partikel elementer menghasilkan medan yang bekerja pada arus lain. Efek yang paling umum terjadi pada bahan feromagnetik, yang sangat tertarik oleh medan magnet dan dapat menjadi magnet permanen, menciptakan medan bermuatan itu sendiri.
Hanya beberapa zat yang bersifat feromagnetik. Untuk mengetahui tingkat perkembangan fenomena ini pada zat tertentu, ada klasifikasi bahan menurut sifat magnetik. Yang paling umum adalah besi, nikel dan kob alt dan paduannya. Awalan ferro- mengacu pada besi karena magnet permanen pertama kali diamati pada besi kosong, suatu bentuk bijih besi alami yang disebut sifat magnetik material, Fe3O4.
Bahan paramagnetik
Meskipunferomagnetisme bertanggung jawab atas sebagian besar efek magnetisme yang ditemui dalam kehidupan sehari-hari, semua bahan lain dipengaruhi oleh medan sampai batas tertentu, serta beberapa jenis magnet lainnya. Zat paramagnetik seperti aluminium dan oksigen tertarik lemah ke medan magnet yang diterapkan. Zat diamagnetik seperti tembaga dan karbon menolak dengan lemah.
Sementara bahan antiferromagnetik seperti kromium dan kaca spin memiliki hubungan yang lebih kompleks dengan medan magnet. Kekuatan magnet pada bahan paramagnetik, diamagnetik, dan antiferromagnetik biasanya terlalu lemah untuk dirasakan dan hanya dapat dideteksi oleh alat laboratorium, sehingga zat tersebut tidak termasuk dalam daftar bahan yang memiliki sifat kemagnetan.
Kondisi
Keadaan magnet (atau fase) suatu material bergantung pada suhu dan variabel lain seperti tekanan dan medan magnet yang diterapkan. Suatu bahan dapat menunjukkan lebih dari satu bentuk magnet ketika variabel-variabel ini berubah.
Sejarah
Sifat magnetik suatu bahan pertama kali ditemukan di dunia kuno ketika orang-orang memperhatikan bahwa magnet, potongan mineral yang termagnetisasi secara alami, dapat menarik besi. Kata "magnet" berasal dari istilah Yunani λίθος magnētis lithos, "batu magnesian, footstone".
Di Yunani kuno, Aristoteles mengaitkan yang pertama dari apa yang bisa disebut diskusi ilmiah tentang sifat magnetik bahan,filsuf Thales dari Miletus, yang hidup dari 625 SM. e. sebelum 545 SM e. Teks medis India kuno Sushruta Samhita menjelaskan penggunaan magnetit untuk menghilangkan panah yang tertanam di tubuh manusia.
Cina Kuno
Di Tiongkok kuno, referensi sastra paling awal tentang sifat listrik dan magnet dari bahan ditemukan dalam sebuah buku abad ke-4 SM yang dinamai menurut pengarangnya, The Sage of the Valley of Ghosts. Penyebutan paling awal tentang tarikan jarum adalah pada karya abad ke-1 Lunheng (Permintaan Seimbang): "Magnet menarik jarum."
Ilmuwan Tiongkok abad ke-11 Shen Kuo adalah orang pertama yang menggambarkan - dalam Dream Pool Essay - kompas magnetik dengan jarum dan itu meningkatkan akurasi navigasi melalui metode astronomi. konsep utara yang sebenarnya. Pada abad ke-12, orang Cina dikenal menggunakan kompas magnet untuk navigasi. Mereka membuat sendok pemandu dari batu sehingga gagang sendok selalu mengarah ke selatan.
Abad Pertengahan
Alexander Neckam, pada tahun 1187, adalah orang pertama di Eropa yang mendeskripsikan kompas dan penggunaannya untuk navigasi. Peneliti ini untuk pertama kalinya di Eropa secara menyeluruh menetapkan sifat-sifat bahan magnetik. Pada tahun 1269 Peter Peregrine de Maricourt menulis Epistola de magnete, risalah pertama yang masih ada yang menjelaskan sifat-sifat magnet. Pada tahun 1282, sifat-sifat kompas dan bahan-bahan dengan sifat magnetik khusus dijelaskan oleh al-Ashraf, seorang fisikawan, astronom, dan ahli geografi Yaman.
Renaisans
Pada tahun 1600, William Gilbert menerbitkan"Magnetic Corpus" dan "Magnetic Tellurium" miliknya ("Pada Magnet dan Benda Magnetik, dan juga pada Magnet Bumi Besar"). Dalam makalah ini, ia menjelaskan banyak eksperimennya dengan bumi modelnya, yang disebut terrella, yang dengannya ia melakukan penelitian tentang sifat-sifat bahan magnetik.
Dari eksperimennya, ia sampai pada kesimpulan bahwa Bumi itu sendiri bersifat magnetis dan itulah sebabnya kompas menunjuk ke utara (sebelumnya, beberapa orang percaya bahwa itu adalah bintang kutub (Polaris) atau pulau magnet besar di Utara Tiang yang menarik kompas).
Waktu baru
Pemahaman tentang hubungan antara listrik dan bahan dengan sifat magnetik khusus muncul pada tahun 1819 dalam karya Hans Christian Oersted, seorang profesor di Universitas Kopenhagen, yang menemukan secara tidak sengaja menggerakkan jarum kompas di dekat kawat yang arus dapat menimbulkan medan magnet. Eksperimen penting ini dikenal sebagai Eksperimen Oersted. Beberapa eksperimen lain diikuti dengan André-Marie Ampère, yang menemukan pada tahun 1820 bahwa medan magnet yang beredar di jalur tertutup terkait dengan arus yang mengalir di sekeliling jalur.
Carl Friedrich Gauss terlibat dalam studi magnetisme. Jean-Baptiste Biot dan Felix Savart pada tahun 1820 menemukan hukum Biot-Savart, yang memberikan persamaan yang diinginkan. Michael Faraday, yang menemukan pada tahun 1831 bahwa fluks magnet yang berubah terhadap waktu melalui loop kawat menyebabkan tegangan. Dan ilmuwan lain telah menemukan hubungan lebih lanjut antara magnet dan listrik.
abad XX dan kitawaktu
James Clerk Maxwell mensintesis dan memperluas pemahaman persamaan Maxwell ini dengan menyatukan listrik, magnet, dan optik dalam bidang elektromagnetisme. Pada tahun 1905, Einstein menggunakan hukum-hukum ini untuk memotivasi teorinya tentang relativitas khusus dengan mensyaratkan bahwa hukum-hukum itu berlaku di semua kerangka acuan inersia.
Elektromagnetisme terus berkembang hingga abad ke-21, dimasukkan ke dalam teori yang lebih mendasar dari teori pengukur, elektrodinamika kuantum, teori elektrolemah, dan akhirnya model standar. Saat ini, para ilmuwan sudah mempelajari sifat magnetik bahan berstruktur nano dengan kekuatan dan utama. Tapi penemuan terbesar dan paling menakjubkan di bidang ini mungkin masih ada di depan kita.
Esensi
Sifat magnetik bahan terutama disebabkan oleh momen magnetik elektron orbital atomnya. Momen magnetik inti atom biasanya ribuan kali lebih kecil daripada elektron, dan karena itu dapat diabaikan dalam konteks magnetisasi bahan. Momen magnetik nuklir bagaimanapun juga sangat penting dalam konteks lain, terutama dalam resonansi magnetik nuklir (NMR) dan pencitraan resonansi magnetik (MRI).
Biasanya, sejumlah besar elektron dalam suatu material diatur sedemikian rupa sehingga momen magnetiknya (baik orbital maupun internal) dihilangkan. Sampai batas tertentu, ini disebabkan oleh fakta bahwa elektron bergabung berpasangan dengan momen magnetik intrinsik yang berlawanan sebagai akibat dari prinsip Pauli (lihat Konfigurasi elektron) dan bergabung menjadi subkulit yang terisi dengan gerakan orbital bersih nol.
BDalam kedua kasus, elektron sebagian besar menggunakan sirkuit di mana momen magnetik setiap elektron dibatalkan oleh momen berlawanan dari elektron lainnya. Selain itu, bahkan ketika konfigurasi elektron sedemikian rupa sehingga ada elektron yang tidak berpasangan dan/atau subkulit yang tidak terisi, sering terjadi bahwa elektron yang berbeda dalam padatan akan menyumbangkan momen magnetik yang mengarah ke arah acak yang berbeda, sehingga material tidak akan magnet.
Kadang-kadang, baik secara spontan atau karena medan magnet luar yang diterapkan, setiap momen magnetik elektron rata-rata akan sejajar. Bahan yang tepat kemudian dapat menciptakan medan magnet bersih yang kuat.
Perilaku magnetik suatu material tergantung pada strukturnya, khususnya pada konfigurasi elektroniknya, untuk alasan yang diberikan di atas, dan juga pada suhu. Pada suhu tinggi, gerakan termal acak membuat elektron sulit untuk disejajarkan.
Diamagnetisme
Diamagnetisme ditemukan di semua bahan dan merupakan kecenderungan suatu bahan untuk menolak medan magnet yang diterapkan dan karenanya menolak medan magnet. Namun, dalam bahan dengan sifat paramagnetik (yaitu, dengan kecenderungan untuk memperkuat medan magnet eksternal), perilaku paramagnetik mendominasi. Jadi, terlepas dari kejadian universal, perilaku diamagnetik hanya diamati dalam bahan diamagnetik murni. Tidak ada elektron yang tidak berpasangan dalam bahan diamagnetik, sehingga momen magnetik intrinsik elektron tidak dapat terciptaefek volume apa pun.
Harap diperhatikan bahwa deskripsi ini dimaksudkan sebagai heuristik saja. Teorema Bohr-Van Leeuwen menunjukkan bahwa diamagnetisme tidak mungkin menurut fisika klasik, dan bahwa pemahaman yang benar memerlukan deskripsi mekanika kuantum.
Perhatikan bahwa semua bahan melalui respons orbital ini. Namun, dalam zat paramagnetik dan feromagnetik, efek diamagnetik ditekan oleh efek yang jauh lebih kuat yang disebabkan oleh elektron yang tidak berpasangan.
Ada elektron yang tidak berpasangan dalam bahan paramagnetik; yaitu, orbital atom atau molekul dengan tepat satu elektron di dalamnya. Sementara prinsip pengecualian Pauli membutuhkan elektron berpasangan untuk memiliki momen magnetik ("spin") mereka sendiri yang menunjuk ke arah yang berlawanan, menyebabkan medan magnet mereka membatalkan, elektron yang tidak berpasangan dapat menyelaraskan momen magnetnya di kedua arah. Ketika medan eksternal diterapkan, momen-momen ini akan cenderung sejajar dengan arah yang sama dengan medan yang diterapkan, memperkuatnya.
Ferromagnet
Ferromagnet, sebagai zat paramagnetik, memiliki elektron yang tidak berpasangan. Namun, selain kecenderungan momen magnetik intrinsik elektron untuk sejajar dengan medan yang diterapkan, dalam bahan ini juga ada kecenderungan momen magnetik ini untuk mengorientasikan diri sejajar satu sama lain untuk mempertahankan keadaan tereduksi. energi. Jadi, bahkan tanpa adanya bidang yang diterapkanmomen magnetik elektron dalam bahan secara spontan sejajar satu sama lain.
Setiap zat feromagnetik memiliki suhu tersendiri, yang disebut suhu Curie, atau titik Curie, di mana ia kehilangan sifat feromagnetiknya. Hal ini karena kecenderungan termal untuk gangguan menguasai pengurangan energi karena tatanan feromagnetik.
Ferromagnetisme hanya terjadi pada beberapa zat; besi, nikel, kob alt, paduannya, dan beberapa paduan tanah jarang adalah umum.
Momen magnetik atom dalam bahan feromagnetik menyebabkan mereka berperilaku seperti magnet permanen kecil. Mereka saling menempel dan bergabung menjadi wilayah kecil dengan keselarasan yang kurang lebih seragam yang disebut domain magnetik atau domain Weiss. Domain magnetik dapat diamati menggunakan mikroskop gaya magnet untuk mengungkapkan batas domain magnetik yang menyerupai garis putih dalam sketsa. Ada banyak eksperimen ilmiah yang secara fisik dapat menunjukkan medan magnet.
Peran domain
Ketika domain mengandung terlalu banyak molekul, domain menjadi tidak stabil dan terpecah menjadi dua domain yang sejajar dalam arah yang berlawanan untuk saling menempel lebih stabil, seperti yang ditunjukkan di sebelah kanan.
Saat terkena medan magnet, batas domain bergerak sehingga domain yang selaras secara magnetis tumbuh dan mendominasi struktur (area kuning bertitik), seperti yang ditunjukkan di sebelah kiri. Ketika medan magnetisasi dihilangkan, domain mungkin tidak kembali ke keadaan tidak termagnetisasi. Ini mengarah kekarena bahan feromagnetik bersifat magnet, membentuk magnet permanen.
Ketika magnetisasi cukup kuat sehingga domain dominan tumpang tindih dengan domain lainnya, yang mengarah pada pembentukan hanya satu domain terpisah, material tersebut jenuh secara magnetis. Ketika bahan feromagnetik magnet dipanaskan sampai suhu titik Curie, molekul bercampur ke titik di mana domain magnetik kehilangan organisasi dan sifat magnetik yang mereka sebabkan berhenti. Ketika bahan didinginkan, struktur penyelarasan domain ini secara spontan kembali, kira-kira analog dengan bagaimana cairan dapat membeku menjadi padatan kristal.
Antiferromagnetik
Dalam antiferromagnet, tidak seperti feromagnet, momen magnetik intrinsik elektron valensi tetangga cenderung mengarah ke arah yang berlawanan. Ketika semua atom disusun dalam suatu zat sehingga setiap tetangganya antiparalel, zat tersebut adalah antiferromagnetik. Antiferromagnet memiliki momen magnet bersih nol, yang berarti mereka tidak menciptakan medan.
Antiferromagnet lebih jarang daripada jenis perilaku lainnya dan paling sering diamati pada suhu rendah. Pada suhu yang berbeda, antiferromagnet menunjukkan sifat diamagnetik dan feromagnetik.
Dalam beberapa bahan, elektron tetangga lebih suka menunjuk ke arah yang berlawanan, tetapi tidak ada susunan geometris di mana setiap pasangan tetangga anti-sejajar. Ini disebut kaca berputar danadalah contoh frustrasi geometris.
Sifat magnet bahan feromagnetik
Seperti feromagnetisme, ferrimagnet mempertahankan magnetisasinya tanpa adanya medan. Namun, seperti antiferromagnet, pasangan spin elektron yang berdekatan cenderung mengarah ke arah yang berlawanan. Kedua sifat ini tidak saling bertentangan karena dalam susunan geometrik yang optimal, momen magnet dari sub kisi elektron yang arahnya sama lebih besar daripada dari sub kisi yang berlawanan arah.
Kebanyakan ferit bersifat ferimagnetik. Sifat magnetik bahan feromagnetik saat ini dianggap tidak dapat disangkal. Zat magnet pertama yang ditemukan, magnetit, adalah ferit dan pada awalnya dianggap sebagai feromagnet. Namun, Louis Neel membantahnya dengan menemukan ferrimagnetisme.
Ketika feromagnet atau ferrimagnet cukup kecil, ia bertindak sebagai putaran magnet tunggal yang tunduk pada gerakan Brown. Responnya terhadap medan magnet secara kualitatif mirip dengan paramagnet, tetapi lebih dari itu.
Elektromagnet
Elektromagnet adalah magnet di mana medan magnet diciptakan oleh arus listrik. Medan magnet menghilang ketika arus dimatikan. Elektromagnet biasanya terdiri dari sejumlah besar lilitan kawat dengan jarak yang berdekatan yang menciptakan medan magnet. Gulungan kawat sering dililitkan di sekitar inti magnet yang terbuat dari bahan feromagnetik atau ferrimagnetik.bahan seperti besi; inti magnet memusatkan fluks magnet dan menciptakan magnet yang lebih kuat.
Keuntungan utama elektromagnet dibandingkan magnet permanen adalah medan magnet dapat diubah dengan cepat dengan mengontrol besarnya arus listrik pada belitan. Namun, tidak seperti magnet permanen yang tidak membutuhkan daya, elektromagnet membutuhkan suplai arus yang terus menerus untuk mempertahankan medan magnet.
Elektromagnet banyak digunakan sebagai komponen perangkat listrik lainnya seperti motor, generator, relai, solenoida, pengeras suara, hard drive, mesin MRI, instrumen ilmiah, dan peralatan pemisahan magnetik. Elektromagnet juga digunakan dalam industri untuk mencengkeram dan memindahkan benda besi berat seperti besi tua dan baja. Elektromagnetisme ditemukan pada tahun 1820. Pada saat yang sama, klasifikasi pertama bahan menurut sifat magnetik diterbitkan.
