Bahan bahan Magnetik

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.

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 2.1.

(A)

(B)

(C)

(D)

Gambar 2.1. 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:
3.   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.

4.   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.

Parameter – Parameter Magnetik

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

4.2 kurva OP mula – mula naik dengan tajam , kemudian setelah mencapai tahapan tertentu kurvanya mendatar, hal ini karena B telah mencapai kejenuhan (saturasi). Pada gambar 4.2 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.

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.

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 .

 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 4.1 memberikan data campuran silikon pada baja sehubungan dengan relativitas dan massa jenisnya.

Tabel 4.1 Campuran Si pengaruhnya terhadap relativitas & masa jenis Baja.

Kandungan Si (%)	Resistivitas ohm.mm2/m	Masa Jenis g/cm3
0,8 – 1,8	1,25	7,8
1,8 – 2,8	0,4	7,75
2,8 – 4,0	0,5	7,65
4,0 – 4,8	0,75	7,75

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.

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%.

Bahan Magnetik Lunak Lain

Bahan magnetik lunak yang banyak digunakan adalah paduan besi-nikel. Kurva pada Gambar.4.4 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.4.4. 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.

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 4.2 Bahan-bahan magnetik lunak

Klasifikasi	Komposisi (sisanya % Fe)	Hc Ampere lilit/m	Br Wb/m^2
1	2	3	4
I.    Besi murni untuk      baja listrik II.   Besi tuang III. Dinamo dan Transformator Baja trafo I Baja trafo II Baja trafo III Baja trafo IV IV. Bahan-bahan yang mengandung Ni Permenorm 3601K1 (it) Nikkel murni Hyperm Memetal Supermalloy V   Bahan-bahan yang mengandung Al Sendust Vacadur	0,01 % C 2 – 3,5 %C 0,7 % Si 1%  Si 1,7 - 2,7 % Si 3,4 - 4,3 % Si 36 %Si 99% Ni; 0,2 % Cu 50% Ni 76 % Ni; 5 % Cu 79 % Ni; 55 Mo; 0,5% Mn 5.4 %Al; 9,6 % Si	6,32 - 31,6 126,4 158 252,8 63,2 - 79 23,7 - 47,7 7,9 1,2 4,74 - 1,9 1,2 0,47 1,74	2,1 - 2,15 >1,5 2,1 2 1,95 1,9 1,3 0,6 1,5 0,8 0,78 1,1

VI  Bahan-bahan yang mengandung Co Vacaflux 50 Cobal murni VII.Paduan Termo Termofluks 65/1000	16 Al 49% C0; 1,8 V 99 % Co	3,95 110,6 790	0,9 2,35 7,8
	30 Ni induksinya sangat tergantung pada suku, misalnya : H = 7900 Ampere lilit/m t = 0o C                               t = 20o C                             t = 60o C B = 0,41                             B = 0,3                               B = 0,065

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.

4.3       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.

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 4.3 Beberapa Bahan Magnet Keras

Nama	Komposisi	Hc A-lilit/m	Br Wb/m2	(BH) Maks J/m3
Baja wolfram Baja chrom Baja kobal Alni Alnisi Alnico II Alnico V Vektolit Platina kobal	93,3% Fe, 0,7%C, 6%W 96%Fe, 1%C, 3%Cr 59%Fe,    1%C,    5%Cr, 5%W, 30%Co 57%Fe,  4%Cu,  25%Ni, 14%Al 51%Fe,   1%Si,   34%Ni, 14%Al 55%Fe, 17%Ni, 12%Co, 10%Al 51%Fe, 24%Co, 14%Ni, 8%Al 44%Fe3O4,    30%Fe2O3, 26%Co2O3 77%Pt, 23%Co	4.800 4.800 17.500 43.800 63.700 50.000 50.000 70.000 200.000	1,05 0,9 0,9 0,55 0,4 0,7 1,2 0,6 0,45	2.400 2.200 7.440 4.400 11.20 0 17.00 0 45.00 0 4.000 16.00 0

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 ( ∆ℓl) searah induksi magnetisasi disebut Efek joule. Magnetostriksi joule (τ ) adalah perbandingan antara perubahan panjang (∆ℓ) dengan panjang semula (ℓ). Umumnya harga tidak lebih dari 30.10-6. magnetostriksi beberapa

bahan ditunjukan pada gambar.4.7

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.