- Bagaimana respons magnetis berasal dari dalam zat?
- Domain magnetik
- Histeresis magnetis
- Bahan magnetis keras dan lunak: aplikasi
- Referensi
The ferromagnetism adalah properti yang memberikan beberapa zat respon magnetik yang intens dan permanen. Di alam ada lima unsur dengan sifat ini: besi, kobalt, nikel, gadolinium dan disprosium, unsur tanah jarang yang terakhir.
Di hadapan medan magnet eksternal, seperti yang dihasilkan oleh magnet alami atau elektromagnet, suatu zat merespons dengan cara yang khas, sesuai dengan konfigurasi internalnya. Besarnya respon ini adalah permeabilitas magnetis.
Magnet yang membentuk jembatan. Sumber: Pixabay
Permeabilitas magnet adalah kuantitas tak berdimensi yang diberikan oleh hasil bagi antara intensitas medan magnet yang dihasilkan di dalam material dan medan magnet yang diterapkan secara eksternal.
Jika jawaban ini jauh lebih besar dari 1, bahan tersebut diklasifikasikan sebagai feromagnetik. Di sisi lain, jika permeabilitas tidak lebih besar dari 1, respons magnetik dianggap lebih lemah, mereka adalah bahan paramagnetik.
Dalam besi permeabilitas magnetik berada di urutan 10 4 . Ini berarti bahwa bidang di dalam besi sekitar 10.000 kali lebih besar dari bidang yang diterapkan di luar. Yang memberi gambaran tentang seberapa kuat respons magnetis mineral ini.
Bagaimana respons magnetis berasal dari dalam zat?
Magnetisme dikenal sebagai efek yang terkait dengan pergerakan muatan listrik. Itulah tepatnya arus listrik. Lalu dari mana asal sifat magnetis magnet batang yang ditempelkan catatan di lemari es?
Materi magnet, dan juga zat lain di dalam mengandung proton dan elektron, yang memiliki gerak sendiri dan menghasilkan arus listrik dengan berbagai cara.
Model yang sangat sederhana mengasumsikan elektron dalam orbit melingkar di sekitar inti terdiri dari proton dan neutron, sehingga membentuk lingkaran kecil arus. Setiap loop dikaitkan dengan besaran vektor yang disebut "momen magnet orbital", yang intensitasnya ditentukan oleh hasil kali arus dan luas yang ditentukan oleh loop: magneton Bohr.
Tentu saja, dalam loop kecil ini, arus bergantung pada muatan elektron. Karena semua zat mengandung elektron di interiornya, semua pada prinsipnya memiliki kemungkinan untuk mengekspresikan sifat magnet. Namun, tidak semuanya melakukannya.
Ini karena momen magnetnya tidak sejajar, melainkan disusun secara acak di dalam, sedemikian rupa sehingga efek magnet makroskopisnya meniadakan.
Ceritanya tidak berakhir di sini. Hasil kali magnetis dari gerakan elektron di sekitar inti bukan satu-satunya sumber magnet yang mungkin pada skala ini.
Elektron memiliki semacam gerakan rotasi di sekitar porosnya. Ini adalah efek yang diterjemahkan menjadi momentum sudut intrinsik. Sifat ini disebut spin elektron.
Secara alami ia juga memiliki momen magnet yang terkait dan itu jauh lebih kuat daripada momen orbital. Faktanya, kontribusi terbesar terhadap momen magnet netto atom adalah melalui putaran, namun kedua momen magnetik tersebut: momen translasi ditambah momentum sudut intrinsik, berkontribusi pada momen magnet total atom.
Momen magnet ini adalah momen yang cenderung sejajar dengan adanya medan magnet eksternal. Dan mereka juga melakukannya dengan bidang yang diciptakan oleh momen-momen tetangga dalam materi.
Sekarang, elektron biasanya berpasangan dalam atom dengan banyak elektron. Pasangan-pasangan terbentuk di antara elektron-elektron dengan spin yang berlawanan, sehingga momen magnetik spin tersebut meniadakan.
Satu-satunya cara spin berkontribusi pada momen magnet total adalah jika salah satunya tidak berpasangan, yaitu atom memiliki jumlah elektron ganjil.
Bagaimana dengan momen magnet proton di dalam nukleus? Yah, mereka juga memiliki momen berputar, tetapi tidak dianggap berkontribusi secara signifikan terhadap kemagnetan sebuah atom. Hal ini karena momen spin berbanding terbalik dengan massa dan massa proton jauh lebih besar daripada massa elektron.
Domain magnetik
Dalam besi, kobalt, dan nikel, tiga serangkai unsur dengan respons magnetis yang besar, momen putaran bersih yang dihasilkan oleh elektron bukanlah nol. Dalam logam ini, elektron di orbital 3d, yang paling luar, adalah yang berkontribusi pada momen magnet bersih. Itulah sebabnya bahan semacam itu dianggap feromagnetik.
Namun, momen magnetik individu dari setiap atom ini tidak cukup untuk menjelaskan perilaku bahan feromagnetik.
Di dalam material yang sangat bermagnet kuat terdapat daerah yang disebut domain magnet , yang ekstensinya dapat bervariasi antara 10 -4 dan 10 -1 cm dan yang mengandung miliaran atom. Di daerah ini, momen spin bersih atom tetangga menjadi terikat erat.
Ketika suatu bahan dengan domain magnet mendekati magnet, domain tersebut sejajar satu sama lain, meningkatkan efek magnetis.
Itu karena domain, seperti magnet batang, memiliki kutub magnet, yang dilambangkan dengan sama Utara dan Selatan, sehingga kutub seperti menolak dan kutub yang berlawanan menarik.
Karena domain sejajar dengan bidang eksternal, material memancarkan suara retak yang dapat didengar dengan amplifikasi yang sesuai.
Efek ini dapat dilihat ketika magnet menarik paku besi lunak dan ini pada gilirannya berperilaku seperti magnet yang menarik paku lain.
Domain magnetik bukanlah batas statis yang ditetapkan di dalam material. Ukurannya dapat dimodifikasi dengan mendinginkan atau memanaskan material, dan juga melakukan aksi medan magnet luar.
Namun, pertumbuhan domain tidak terbatas. Pada saat tidak mungkin lagi untuk menyelaraskannya, dikatakan bahwa titik jenuhnya telah tercapai. Efek ini tercermin dalam kurva histeresis di bawah ini.
Pemanasan material menyebabkan hilangnya keselarasan momen magnet. Suhu saat magnetisasi hilang sama sekali berbeda-beda, bergantung pada jenis materialnya, untuk magnet batang biasanya hilang pada sekitar 770ºC.
Setelah magnet dilepas, magnetisasi paku hilang karena adanya agitasi termal setiap saat. Tetapi ada senyawa lain yang memiliki magnetisasi permanen, karena mereka memiliki domain yang sejajar secara spontan.
Domain magnetik dapat diamati ketika area datar dari bahan feromagnetik non-magnet, seperti besi lunak, dipotong dan dipoles dengan sangat baik. Setelah ini selesai, itu ditaburi bubuk atau serbuk besi halus.
Di bawah mikroskop diamati bahwa chip dikelompokkan pada daerah pembentuk mineral dengan orientasi yang sangat jelas, mengikuti domain magnetik material.
Perbedaan perilaku antara material magnetis yang berbeda disebabkan oleh perilaku domain di dalamnya.
Histeresis magnetis
Histeresis magnet adalah karakteristik yang hanya dimiliki oleh material dengan permeabilitas magnet tinggi. Itu tidak ada dalam bahan paramagnetik atau diamagnetik.
Ini mewakili efek medan magnet eksternal yang diterapkan, yang dilambangkan sebagai H, pada induksi magnet B dari logam feromagnetik selama siklus magnetisasi dan demagnetisasi. Grafik yang ditampilkan disebut kurva histeresis.
Siklus histeresis feromagnetik
Awalnya di titik O tidak ada medan H yang diterapkan atau respons magnet B , tetapi dengan meningkatnya intensitas H , induksi B meningkat secara progresif hingga mencapai besaran saturasi B s di titik A, yang diharapkan.
Sekarang intensitas H semakin berkurang hingga menjadi 0, dengan itu kita mencapai titik C, namun respons magnetis material tidak hilang, mempertahankan magnetisasi remanen yang ditunjukkan oleh nilai B r . Artinya prosesnya tidak bisa dibalik.
Dari sana intensitas H meningkat tetapi dengan polaritas terbalik (tanda negatif), sehingga magnetisasi remanen dibatalkan pada titik D. Nilai H yang diperlukan dilambangkan sebagai H c dan disebut medan koersif .
Besarnya H meningkat hingga mencapai nilai saturasi di E lagi dan segera intensitas H berkurang hingga mencapai 0, tetapi tetap ada magnetisasi remanen dengan polaritas berlawanan dengan yang dijelaskan sebelumnya, pada titik F.
Sekarang polaritas H dibalik lagi dan besarannya dinaikkan hingga respon magnetis material di titik G. Mengikuti jalur GA kejenuhannya didapat lagi. Tetapi yang menarik adalah Anda tidak sampai di sana dengan jalur asli yang ditunjukkan oleh panah merah.
Bahan magnetis keras dan lunak: aplikasi
Besi lunak lebih mudah untuk dimagnetisasi daripada baja, dan mengetuk material selanjutnya memfasilitasi penyelarasan domain.
Ketika suatu bahan mudah dimagnetisasi dan didemagnetisasi maka dikatakan lunak secara magnetis , dan tentu saja jika terjadi sebaliknya itu adalah bahan yang keras secara magnetis . Yang terakhir domain magnetnya kecil, sedangkan yang pertama besar, sehingga dapat dilihat melalui mikroskop, seperti yang dijelaskan di atas.
Area yang dikelilingi oleh kurva histeresis adalah ukuran energi yang dibutuhkan untuk memagnetisasi - mendemagnetisasi material. Gambar tersebut menunjukkan dua kurva histeresis untuk dua bahan yang berbeda. Yang di kiri lunak secara magnetis, sedangkan yang di kanan keras.
Bahan feromagnetik lunak memiliki medan koersif kecil H c dan kurva histeresis sempit yang tinggi. Ini adalah bahan yang tepat untuk ditempatkan di inti transformator listrik. Contohnya adalah besi lunak dan besi silikon dan paduan besi-nikel, yang berguna untuk peralatan komunikasi.
Di sisi lain, material yang keras secara magnetis sulit untuk dide-magnetisasi setelah dimagnetisasi, seperti halnya dengan paduan alnico (aluminium-nikel-kobalt) dan paduan logam tanah jarang yang digunakan untuk membuat magnet permanen.
Referensi
- Eisberg, R. 1978. Fisika Kuantum. Limusa. 557 -577.
- Muda, Hugh. 2016. Fisika Universitas Sears-Zemansky dengan Fisika Modern. Edisi ke-14 Pearson. 943.
- Zapata, F. (2003). Studi mineralogi yang terkait dengan sumur minyak Guafita 8x milik lapangan Guafita (Negara Bagian Apure) menggunakan pengukuran Kerentanan Magnetik dan Spektroskopi Mossbauer. Gelar tesis. Universitas Pusat Venezuela.