The magnetisasi adalah besaran vektor yang menggambarkan keadaan magnetik material dan didefinisikan sebagai jumlah dipolar momen magnetik per satuan volume. Bahan magnet - besi atau nikel misalnya - dapat dianggap terdiri dari banyak magnet kecil yang disebut dipol.
Biasanya dipol ini, yang pada gilirannya memiliki kutub magnet utara dan selatan, didistribusikan dengan tingkat ketidakteraturan tertentu dalam volume material. Gangguan ini lebih sedikit pada material dengan sifat magnet yang kuat seperti besi dan lebih besar pada material lain dengan magnet yang kurang jelas.
Gambar 1. Dipol magnet disusun secara acak di dalam suatu material. Sumber: F. Zapata.
Namun, dengan menempatkan material di tengah medan magnet luar, seperti yang dihasilkan di dalam solenoida, dipol diorientasikan sesuai dengan medan dan material mampu berperilaku seperti magnet (Gambar 2).
Gambar 2. Menempatkan material seperti sepotong besi misalnya, di dalam solenoida yang dilewati arus I, medan magnet ini sejajar dengan dipol dalam material. Sumber: F. Zapata.
Misalkan M adalah vektor magnetisasi, yang didefinisikan sebagai:
Sekarang, intensitas magnetisasi dalam material, hasil kali dibenamkan di medan luar H , sebanding dengan ini, oleh karena itu:
M ∝ H
Konstanta proporsionalitas bergantung pada material, disebut suseptibilitas magnet dan dilambangkan sebagai χ:
M = χ. H.
Satuan M dalam Sistem Internasional adalah ampere / meter, seperti halnya H , oleh karena itu χ tidak berdimensi.
Momen magnet orbital dan spin
Magnet muncul dari pergerakan muatan listrik, oleh karena itu untuk menentukan magnetisme atom, kita harus memperhitungkan pergerakan partikel bermuatan yang menyusunnya.
Gambar 3. Gerakan elektron di sekitar nukleus berkontribusi pada kemagnetan dengan momen magnet orbital. Sumber: F. Zapata.
Dimulai dengan elektron, yang dianggap mengorbit inti atom, ia seperti lingkaran kecil (sirkuit tertutup atau loop arus tertutup). Gerakan ini berkontribusi pada magnetisme atom berkat vektor momen magnetik orbital m, yang besarnya:
Di mana I adalah intensitas arus dan A adalah area yang dikelilingi oleh loop. Oleh karena itu, satuan m dalam Sistem Internasional (SI) adalah amp x meter persegi.
Vektor m tegak lurus dengan bidang lingkaran, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, dan diarahkan seperti yang ditunjukkan oleh aturan ibu jari kanan.
Ibu jari diorientasikan ke arah arus dan empat jari yang tersisa dililitkan di sekeliling lingkaran, mengarah ke atas. Rangkaian kecil ini setara dengan magnet batang, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.
Putar momen magnet
Terlepas dari momen magnetik orbital, elektron berperilaku seolah-olah ia berputar dengan sendirinya. Ini tidak terjadi persis seperti ini, tetapi efek yang dihasilkan sama, jadi ini adalah kontribusi lain yang perlu diperhitungkan untuk momen magnet netto sebuah atom.
Faktanya, momen magnet spin lebih kuat daripada momen orbital dan terutama bertanggung jawab atas magnet bersih suatu zat.
Gambar 4. Momen magnet spin adalah salah satu yang berkontribusi paling besar terhadap magnetisasi bersih suatu bahan. Sumber: F. Zapata.
Momen putaran sejajar dengan adanya medan magnet eksternal dan menciptakan efek kaskade, yang secara berturut-turut selaras dengan momen yang berdekatan.
Tidak semua bahan memiliki sifat magnetis. Ini karena elektron dengan pasangan bentuk spin berlawanan dan membatalkan momen magnet spin masing-masing.
Hanya jika ada yang tidak berpasangan barulah ada kontribusi terhadap momen magnet total. Oleh karena itu, hanya atom dengan jumlah elektron ganjil yang memiliki peluang menjadi magnet.
Proton dalam inti atom juga memberikan kontribusi kecil terhadap momen magnet total atom, karena mereka juga memiliki spin dan karenanya terkait momen magnet.
Tapi ini berbanding terbalik dengan massa, dan proton jauh lebih besar daripada elektron.
Contoh
Di dalam kumparan, yang dilalui arus listrik, medan magnet seragam dibuat.
Dan seperti yang dijelaskan pada gambar 2, saat meletakkan material di sana, momen magnetis ini sejajar dengan medan kumparan. Efek bersihnya adalah menghasilkan medan magnet yang lebih kuat.
Transformer, perangkat yang meningkatkan atau menurunkan tegangan bolak-balik, adalah contoh yang bagus. Mereka terdiri dari dua gulungan, primer dan sekunder, luka pada inti besi lunak.
Gambar 5. Dalam inti transformator terjadi magnetisasi bersih. Sumber: Wikimedia Commons.
Arus yang berubah dilewatkan melalui kumparan primer yang secara bergantian mengubah garis medan magnet di dalam inti, yang pada gilirannya menginduksi arus di kumparan sekunder.
Frekuensi osilasi sama, tetapi besarnya berbeda. Dengan cara ini, tegangan yang lebih tinggi atau lebih rendah dapat diperoleh.
Alih-alih melilitkan kumparan ke inti besi padat, lebih disukai untuk mengisi lembaran logam yang dilapisi dengan pernis.
Alasannya adalah karena adanya arus eddy di dalam inti, yang memiliki efek pemanasan berlebih, tetapi arus yang diinduksi pada lembaran lebih rendah, dan oleh karena itu pemanasan perangkat diminimalkan.
Pengisi daya nirkabel
Sebuah ponsel atau sikat gigi elektrik dapat diisi dengan induksi magnet, yang dikenal sebagai pengisian nirkabel atau pengisian induktif.
Ia bekerja sebagai berikut: ada base atau stasiun pengisian, yang memiliki solenoid atau kumparan utama, yang dilalui arus yang berubah. Kumparan (sekunder) lain dipasang ke pegangan sikat.
Arus di kumparan primer pada gilirannya menginduksi arus di kumparan pegangan ketika sikat ditempatkan di stasiun pengisian, dan ini menangani pengisian baterai yang juga ada di pegangan.
Besarnya arus yang diinduksi meningkat ketika inti dari bahan feromagnetik, yang mungkin berupa besi, ditempatkan di koil utama.
Agar kumparan primer mendeteksi kedekatan kumparan sekunder, sistem memancarkan sinyal yang terputus-putus. Setelah respons diterima, mekanisme yang dijelaskan diaktifkan dan arus mulai diinduksi tanpa perlu kabel.
Ferrofluida
Aplikasi menarik lainnya dari sifat magnet materi adalah ferrofluida. Ini terdiri dari partikel magnetik kecil dari senyawa ferit, tersuspensi dalam media cair, yang dapat berupa organik atau bahkan air.
Partikel-partikel tersebut dilapisi dengan zat yang mencegah penggumpalannya, dan dengan demikian tetap terdistribusi dalam cairan.
Idenya adalah bahwa kemampuan aliran cairan dikombinasikan dengan magnetisme partikel ferit, yang dengan sendirinya tidak bersifat magnetis kuat, tetapi memperoleh magnetisasi dengan adanya medan eksternal, seperti dijelaskan di atas.
Magnetisasi yang diperoleh menghilang segera setelah medan luar ditarik.
Ferrofluida awalnya dikembangkan oleh NASA untuk memobilisasi bahan bakar di dalam pesawat ruang angkasa tanpa gravitasi, memberikan impuls dengan bantuan medan magnet.
Saat ini ferrofluida memiliki banyak aplikasi, beberapa masih dalam tahap percobaan, seperti:
- Kurangi gesekan pada muffler speaker dan headphone (hindari gaung).
- Biarkan pemisahan material dengan kepadatan berbeda.
- Bertindak sebagai segel pada poros hard drive dan mengusir kotoran.
- Sebagai pengobatan kanker (dalam fase percobaan). Ferrofluid disuntikkan ke dalam sel kanker dan medan magnet diterapkan yang menghasilkan arus listrik kecil. Panas yang dihasilkan oleh ini menyerang sel-sel ganas dan menghancurkannya.
Referensi
- Jurnal Fisika Brasil. Ferrofluida: Properti dan aplikasi. Diperoleh dari: sbfisica.org.br
- Figueroa, D. (2005). Seri: Fisika untuk Sains dan Teknik. Volume 6. Elektromagnetisme. Diedit oleh Douglas Figueroa (USB). 215-221.
- Giancoli, D. 2006. Fisika: Prinsip dengan Aplikasi. Aula Prentice Ed ke-6. 560-562.
- Kirkpatrick, L. 2007. Fisika: Pandangan di Dunia. Edisi ringkasan ke-6. Pembelajaran Cengage. 233.
- Shipman, J. 2009. Pengantar Ilmu Fisika. Pembelajaran Cengage. 206-208.