Penjelasan Bahan Magnetik dan Feromagnetik untuk Fisika HSC

Sebuah magnet menempel kuat pada klip kertas baja, tetapi hampir tidak bereaksi terhadap koin tembaga. Jadi, apakah baja merupakan magnet dan tembaga “nonmagnetik”? Tidak persis. Klip kertas dapat tertarik dengan kuat tanpa harus menjadi magnet permanen itu sendiri.

Sebelum melanjutkan membaca, prediksikan apa yang terjadi jika Anda mendekatkan kutub utara sebuah magnet permanen ke paku besi yang belum termagnetisasi. Apakah paku akan tertarik, tertolak, atau tidak terpengaruh?

Paku tersebut tertarik. Yang lebih mengejutkan, paku juga tertarik jika magnet dibalik dan kutub selatannya didekatkan ke paku. Memahami alasannya membantu membedakan tiga gagasan yang mudah tertukar: magnet, bahan magnetik, dan bahan feromagnetik.

01Magnet dan bahan magnetik bukanlah hal yang sama

Mulailah dengan perbedaan paling sederhana yang berguna.

Sebuah magnet menghasilkan medan magnet makroskopisnya sendiri. Magnet batang permanen melakukan hal ini bahkan ketika tidak ada magnet lain di dekatnya.

Sebuah bahan magnetik adalah bahan yang perilaku magnetiknya berubah ketika ditempatkan dalam medan magnet. Dalam fisika sekolah, istilah ini sering digunakan secara longgar untuk bahan yang memberikan respons kuat terhadap magnet.

Sebuah bahan feromagnetik adalah jenis bahan magnetik tertentu yang memberikan respons sangat kuat terhadap medan magnet eksternal dan dapat dimagnetisasi. Contoh yang umum meliputi besi, kobalt, nikel, dan banyak paduan yang mengandung unsur-unsur tersebut.

Dari sini kita memperoleh aturan keputusan yang penting:

Tabel tersebut menyederhanakan beberapa aspek fisika yang lebih mendalam. Secara ketat, hampir semua bahan memberikan suatu respons terhadap medan magnet. Namun, untuk soal HSC tentang tarikan magnetik yang kuat dan magnetisasi, kategori yang biasanya penting adalah feromagnetisme.

Jadi, “tidak feromagnetik” bukan berarti “menurut fisika sama sekali tidak terjadi sesuatu yang bersifat magnetik”. Artinya, bahan tersebut tidak menunjukkan perilaku kuat berbasis domain yang sedang kita pelajari di sini.

02Apa yang membuat feromagnet berbeda?

Bayangkan Anda memotong sebuah batang besi menjadi bagian-bagian yang semakin kecil. Pada akhirnya, gambaran sehari-hari tentang potongan-potongan kecil besi tidak lagi berguna. Pada skala atom, elektron memberikan sifat magnetik pada atom.

Dalam bahan feromagnetik, interaksi antara atom-atom yang berdekatan menyebabkan banyak momen magnetik atom sejajar satu sama lain. Suatu wilayah yang berisi sejumlah besar momen yang sejajar disebut domain magnetik.

Gambaran yang berguna adalah sebuah lapangan sekolah yang dibagi menjadi kelompok-kelompok orang yang masing-masing memegang panah kecil. Semua orang dalam satu kelompok sepakat menunjuk ke arah yang sama, tetapi kelompok yang berbeda menunjuk ke arah yang berbeda.

Jika kelompok-kelompok tersebut tersebar ke segala arah, efeknya sebagian besar saling meniadakan. Seluruh lapangan tidak memiliki arah keseluruhan yang kuat.

Kurang lebih inilah yang terjadi pada feromagnet yang belum termagnetisasi. Bahan tersebut sudah mengandung domain magnetik. Domain-domain itu hanya tersusun sedemikian rupa sehingga magnetisasi netto pada keseluruhan benda sangat kecil atau tidak ada.

Analogi ini memiliki keterbatasan. Domain magnetik bukan secara harfiah kumpulan jarum kompas kecil yang berputar secara independen. Perilaku domain berasal dari interaksi kuantum antara momen magnetik atom, dan magnetisasi sering melibatkan pergerakan batas domain serta perubahan arah momen.

03Feromagnet yang belum termagnetisasi tetap mengandung wilayah magnetik

Ini adalah salah satu kekeliruan yang umum.

Seorang siswa mungkin berpikir:

Jika sebuah paku besi belum termagnetisasi, atom-atomnya pasti belum bertindak seperti magnet.

Hal itu terdengar masuk akal karena paku tersebut tidak berperilaku seperti magnet batang permanen. Namun, gagasan yang terlewat adalah saling meniadakan.

Paku dapat mengandung banyak domain yang tersusun secara magnetik sambil tetap memiliki momen magnetik keseluruhan yang hampir nol. Satu domain menunjuk ke satu arah, domain lain menunjuk ke arah yang berbeda, dan kontribusi mereka sebagian besar saling meniadakan.

Ketika medan magnet eksternal diterapkan, keseimbangan tersebut berubah.

Domain yang magnetisasinya searah secara menguntungkan dengan medan yang diterapkan cenderung membesar, sedangkan domain lainnya menyusut. Momen magnetik juga dapat berputar menuju arah medan.

Hasilnya adalah magnetisasi netto yang lebih besar.

Jadi, medan eksternal tidak menciptakan feromagnetisme dari ketiadaan. Medan tersebut mengubah susunan keteraturan magnetik yang sudah ada di dalam bahan.

04Mengapa paku besi tertarik oleh kedua kutub

Kembali ke prediksi di bagian pembuka.

Misalkan Anda mendekatkan kutub utara sebuah magnet permanen ke paku besi yang belum termagnetisasi.

Medan magnet menyebabkan paku menjadi termagnetisasi secara induksi. Ujung yang paling dekat dengan magnet berperilaku seperti kutub selatan, sedangkan ujung yang lebih jauh berperilaku seperti kutub utara.

Kutub-kutub berlawanan yang berdekatan saling tarik-menarik dengan kuat. Kutub-kutub sejenis yang lebih jauh memang menghasilkan interaksi tolak-menolak, tetapi karena jaraknya lebih jauh, tarikan yang dekat menjadi dominan.

Balik magnet permanen tersebut. Magnetisasi induksi pada paku juga berbalik. Ujung yang paling dekat dengan kutub selatan sekarang berperilaku seperti kutub utara.

Paku tetap tertarik.

Hal ini memberi tahu kita sesuatu yang berguna:

Tarikan tidak membuktikan bahwa kedua benda sudah merupakan magnet sebelum keduanya berinteraksi.

Salah satunya dapat berupa magnet permanen, sedangkan yang lain hanyalah bahan feromagnetik yang menjadi termagnetisasi dalam medan magnet benda pertama.

05Magnetisasi permanen bergantung pada apa yang terjadi setelah medan dihilangkan

Sekarang bayangkan magnet eksternal disingkirkan.

Prediksikan apa yang harus terjadi pada domain-domain tersebut. Apakah semuanya segera kembali ke susunan semula?

Belum tentu.

Sebagian bahan feromagnetik kehilangan sebagian besar magnetisasi induksinya setelah medan eksternal menghilang. Bahan lainnya mempertahankan kesejajaran yang cukup besar dan tetap termagnetisasi.

Dari sini kita memperoleh perbedaan yang berguna antara bahan feromagnetik lunak secara magnetik dan keras secara magnetik.

“Lunak” dan “keras” di sini menggambarkan perilaku magnetik, bukan sekadar apakah bahan tersebut terasa lunak atau keras secara fisik.

06Posisi elektromagnet dalam gambaran ini

Sebuah magnet tidak harus berupa potongan bahan feromagnetik permanen.

Arus listrik menghasilkan medan magnet. Oleh karena itu, kumparan yang dialiri arus dapat bertindak sebagai elektromagnet, bahkan tanpa inti besi.

Menambahkan inti feromagnetik dapat membuat efek magnetiknya jauh lebih kuat. Medan dari kumparan memagnetisasi inti tersebut, sehingga lebih banyak domainnya menjadi sejajar.

Dari sini kita memperoleh dua mekanisme berbeda yang terkadang dicampuradukkan oleh siswa:

• arus listrik menghasilkan medan magnet di sekitar kumparan
• inti feromagnetik merespons medan tersebut dengan menjadi termagnetisasi

Besi bukanlah penyebab awal medan magnet kumparan. Aruslah penyebabnya. Besi mengubah medan yang dihasilkan karena respons feromagnetiknya.

07Empat pernyataan yang terdengar mirip tetapi memiliki arti berbeda

Pernyataan-pernyataan ini perlu dibedakan dengan cermat.

“Benda tersebut adalah magnet.”
Benda tersebut memiliki momen magnetik netto yang cukup besar untuk menghasilkan medan magnet eksternal yang signifikan.

“Bahan tersebut feromagnetik.”
Momen magnetik atomnya dapat membentuk domain, dan bahan tersebut dapat memberikan respons kuat terhadap medan magnet yang diterapkan.

“Benda tersebut belum termagnetisasi.”
Domain-domainnya tersusun sedemikian rupa sehingga efek magnetiknya sebagian besar saling meniadakan pada keseluruhan benda.

“Benda tersebut telah termagnetisasi.”
Domain-domainnya telah cukup sejajar sehingga benda tersebut memiliki magnetisasi netto yang tidak nol.

Karena itu, sebuah benda dapat bersifat feromagnetik dan belum termagnetisasi pada saat yang sama.

Kalimat ini menyelesaikan salah satu kesalahpahaman paling umum dalam topik ini.

08Magnet tidak menarik setiap logam

Jalan pintas lain yang tampak menggoda adalah:

logam = magnetik

Itu tidak berlaku.

Besi, kobalt, nikel, dan banyak bahan yang mengandung unsur-unsur tersebut dapat menunjukkan perilaku feromagnetik yang kuat. Tembaga tidak. Aluminium juga tidak berperilaku secara feromagnetik dalam kondisi laboratorium HSC biasa.

Inilah sebabnya mengidentifikasi sesuatu sebagai “logam” saja tidak cukup untuk memprediksi apakah magnet permanen akan menariknya dengan kuat.

Bahkan kata baja perlu digunakan dengan hati-hati. Baja adalah paduan berbasis besi, tetapi sifat magnetiknya yang tepat bergantung pada komposisi dan strukturnya. Untuk penalaran HSC biasa, benda dari besi dan baja yang umum sering dianggap feromagnetik kecuali soal memberikan informasi yang menunjukkan sebaliknya.

Pertanyaan yang lebih baik bukan:

“Apakah benda ini logam?”

Tanyakan:

“Apakah bahannya feromagnetik, dan bagaimana keadaan magnetisasinya saat ini?”

09Pertanyaan dan solusi

Pertanyaan 1

Sebuah magnet permanen menarik dengan kuat sebuah ring besi yang sebelumnya belum termagnetisasi.

Apakah tarikan tersebut membuktikan bahwa ring itu sudah merupakan magnet? Jelaskan apa yang terjadi pada ring ketika magnet mendekat.

Solusi 1

Tidak. Tarikan tersebut tidak membuktikan bahwa ring itu sudah merupakan magnet.

Besi bersifat feromagnetik, sehingga medan dari magnet permanen mengubah susunan domain magnetik di dalam ring. Hal ini memberikan magnetisasi netto secara induksi pada ring.

Bagian ring yang paling dekat dengan magnet permanen membentuk kutub magnet yang berlawanan dengan kutub magnet permanen yang berada di dekatnya. Tarikan yang terjadi pada bagian dekat ini lebih kuat daripada interaksi yang melibatkan bagian yang lebih jauh.

Kekeliruannya adalah menganggap bahwa tarikan hanya dapat terjadi antara dua benda yang sudah merupakan magnet permanen. Magnet permanen dapat menarik benda feromagnetik yang pada awalnya belum termagnetisasi dengan menginduksi magnetisasi di dalamnya.

Pertanyaan 2

Tiga balok kecil masing-masing terbuat dari besi, tembaga, dan paduan magnet permanen yang keras. Labelnya terlepas.

Balok A menghasilkan medan magnet yang dapat diukur ketika berada sendiri.

Balok B tidak menghasilkan medan eksternal yang signifikan dengan sendirinya, tetapi tertarik kuat ketika magnet permanen didekatkan.

Balok C tidak menunjukkan kedua perilaku tersebut dalam tingkat yang terlihat jelas di ruang kelas.

Tentukan bahan yang paling mungkin untuk A, B, dan C, lalu jelaskan alasan Anda.

Solusi 2

A adalah paduan magnet permanen yang keras, B adalah besi, dan C adalah tembaga.

Balok A menghasilkan medan magnet yang signifikan bahkan tanpa medan lain yang diterapkan. Ini adalah pengamatan yang diharapkan dari magnet permanen.

Balok B tertarik kuat tetapi pada awalnya tidak menghasilkan medan eksternal yang signifikan. Hal ini sesuai dengan besi yang belum termagnetisasi. Domain-domainnya pada awalnya memiliki sedikit kesejajaran netto, tetapi medan eksternal dapat mengatur ulang domain tersebut dan menghasilkan magnetisasi induksi yang kuat.

Balok C kemungkinan besar adalah tembaga. Tembaga tidak bersifat feromagnetik, sehingga tidak menunjukkan tarikan kuat dan kesejajaran domain seperti yang diharapkan pada besi.

Perbedaan kuncinya adalah antara sudah termagnetisasi dan mampu mengalami magnetisasi yang kuat.

Pertanyaan 3

Dua batang besi ditempatkan di dalam dua kumparan terpisah yang dialiri arus. Batang P menjadi sangat termagnetisasi saat arus mengalir tetapi hanya memiliki sedikit magnetisasi setelah arus dimatikan. Batang Q tetap sangat termagnetisasi setelah arus dimatikan.

Sebuah perangkat memerlukan inti yang medan magnetnya berulang kali dinyalakan dan dimatikan.

Batang mana yang lebih sesuai, dan perilaku domain apa yang menjelaskan pilihan tersebut?

Solusi 3

Batang P lebih sesuai karena berperilaku sebagai bahan feromagnetik yang lunak secara magnetik.

Saat arus mengalir, kumparan menghasilkan medan magnet eksternal. Domain-domain dalam batang P merespons dengan kuat, sehingga menghasilkan magnetisasi netto yang besar.

Ketika arus berhenti, sebagian besar kesejajaran tersebut hilang, sehingga batang hanya mempertahankan sedikit magnetisasi. Hal ini berguna dalam perangkat yang aksi magnetiknya harus berhenti ketika arus dimatikan.

Batang Q mempertahankan kesejajaran domain yang cukup besar setelah medan eksternal menghilang. Perilaku tersebut berguna untuk magnet permanen, tetapi kurang sesuai jika perangkat harus berulang kali kembali ke keadaan dengan magnetisasi lemah.

Hal pentingnya adalah bahwa “lebih mudah tetap termagnetisasi” tidak secara otomatis berarti “lebih baik”. Perilaku magnetik yang dibutuhkan bergantung pada apa yang harus dilakukan perangkat tersebut.

Pertanyaan 4

Seorang siswa berkata:

Batang besi yang belum termagnetisasi tidak mungkin mengandung momen magnetik atom yang sejajar, karena jika demikian batang itu pasti sudah menjadi magnet.

Jelaskan dengan tepat apa yang salah dalam penalaran ini.

Solusi 4

Kesalahannya adalah mencampuradukkan kesejajaran lokal di dalam domain magnetik dengan kesejajaran netto pada keseluruhan batang.

Di dalam setiap domain magnetik, banyak momen magnetik atom sudah sejajar. Namun, domain-domain yang berbeda dalam batang yang belum termagnetisasi dapat menunjuk ke arah yang berbeda-beda.

Kontribusi mereka kemudian sebagian besar saling meniadakan, sehingga keseluruhan batang memiliki sedikit atau tidak memiliki magnetisasi netto.

Menerapkan medan magnet eksternal mengubah susunan domain. Domain yang sejajar secara menguntungkan dapat membesar, dan momen magnetik dapat berputar menuju arah medan, sehingga proses saling meniadakan menjadi kurang lengkap dan batang mengembangkan momen magnetik netto.

Jadi, siswa tersebut benar bahwa batang yang sangat termagnetisasi memerlukan kesejajaran keseluruhan yang cukup besar, tetapi keliru ketika menganggap bahwa batang yang belum termagnetisasi tidak memiliki keteraturan magnetik lokal.

Pertanyaan 5

Sebuah magnet permanen ditempatkan dengan kutub utaranya dekat dengan ujung kiri sebuah batang besi yang pada awalnya belum termagnetisasi. Batang tersebut tertarik menuju magnet.

Seorang siswa memberikan penjelasan berikut:

Magnet mengubah ujung kiri batang menjadi kutub selatan dan ujung kanan menjadi kutub utara. Kutub selatan tertarik, sedangkan kutub utara tertolak, jadi gaya-gaya tersebut seharusnya saling meniadakan dan batang tidak akan bergerak.

Pembatalan gaya yang diprediksi tersebut tidak terjadi. Jelaskan alasannya.

Solusi 5

Gaya-gaya tersebut tidak saling meniadakan karena interaksi tarik-menarik dan tolak-menolak terjadi pada jarak yang berbeda dari magnet permanen.

Medan eksternal memagnetisasi batang besi. Ujung kirinya, yang lebih dekat dengan kutub utara magnet permanen, berperilaku kira-kira seperti kutub selatan yang terinduksi. Ujung kanannya berperilaku kira-kira seperti kutub utara.

Ujung kiri mengalami tarikan, sedangkan ujung kanan yang lebih jauh berkaitan dengan interaksi tolak-menolak. Namun, interaksi magnetik menjadi lebih lemah ketika jarak bertambah. Karena itu, interaksi tarik-menarik pada ujung yang dekat lebih kuat daripada interaksi yang berlawanan pada ujung yang lebih jauh.

Gaya netto mengarah menuju magnet permanen.

Kekeliruannya adalah memperlakukan kutub-kutub terinduksi seolah-olah gaya yang sama besar dan berlawanan arah harus secara otomatis saling meniadakan. Kekuatan kutub magnet yang sama tidak menjamin gaya yang sama besar jika jarak dan kekuatan medan magnetnya berbeda.

Pertanyaan 6

Seorang siswa ingin membuktikan bahwa sepotong bahan feromagnetik telah menjadi magnet permanen. Ia mendekatkan sebuah magnet permanen yang diketahui sifatnya ke bahan tersebut dan mengamati tarikan yang kuat.

Mengapa pengamatan ini tidak cukup? Jelaskan jenis bukti apa yang dapat membedakan magnetisasi permanen dari magnetisasi induksi sederhana.

Solusi 6

Tarikan yang kuat saja tidak cukup karena benda feromagnetik yang belum termagnetisasi dapat tertarik akibat magnetisasi induksi.

Ketika magnet yang diketahui mendekat, medannya dapat menyelaraskan domain-domain di dalam benda yang diuji. Karena itu, benda tersebut dapat menjadi termagnetisasi sementara dan mengalami tarikan yang kuat meskipun sebelumnya memiliki magnetisasi netto yang sangat kecil.

Bukti adanya magnetisasi yang tetap bertahan setelah medan eksternal dihilangkan akan lebih berguna. Misalnya, benda tersebut dapat diuji untuk melihat apakah masih menghasilkan medan magnet yang bertahan ketika sudah diisolasi dari magnet yang sebelumnya memagnetisasinya.

Gagasan yang sangat penting adalah bahwa perilaku ketika medan eksternal ada tidak dengan sendirinya memberi tahu Anda apa yang akan terjadi setelah medan tersebut menghilang. Perbedaan ini mengarah langsung pada histeresis magnetik, retentivitas, dan koersivitas, yang menjelaskan bagaimana bahan feromagnetik merespons ketika medan magnet yang diterapkan diubah dan dihilangkan.