Sifat Magnetik Golongan Transisi Periode Keempat

Asal-usul sifat magnetik

Benda magnet mempunyai kemampuan menarik benda-benda lain yang lebih ringan ke arah dirinya. Dalam hal ini ada magnet permanen atau magnet tetap, artinya kemampuan menarik ini tidak lenyap, dan magnet sementara artinya kemampuan menarik menjadi lenyap jika penyebab timbulnya sifat magnet dihilangkan. Misalnya, logam yang dililiti kumparan arus listrik menjadi magnet yang kemudian disebut sebagai elektromagnet. Namun, jika arus listrik dihilangkan maka sifat magnet menjadi hilang pula. Pada logam transisi pun juga memiliki sifat magnetik yaitu sifat diamagnetik, paramagnetik, feromagnetik ,dan antiferomagnetik.

Pada tabel periodik unsur di atas, terlihat bahwa sebagian besar unsur bersifat paramagnetik dan diamagnetik, sedangkan material yang bersifat feromagnetik dan antiferomagnetik hanya ditemukan sedikit didalam unsur murni. Untuk material yang memiliki sifat ferimagnetik hanya ditemukan dalam senyawa, seperti campuran oksida yang disebut ferrite yang berasal dari ferimagnetik.

Klasifikasi bahan magnet

Berdasarkan sifat kemagnetannya bahan dapat diklasifikasikan kedalam 5 jenis yaitu Diamagnetik, paramagnetik, ferromagnetik, antiferromagnetik dan ferimagnetik.

1. Sifat Diamagnetik

Diamagnetik adalah sifat yang selalu dimiliki oleh setiap atom dalam materi atau senyawa tanpa memandang tipe sifat magnetik total dari senyawa yang bersangkutan. Sifat ini hanya muncul jika ada medan magnetik dari luar yang dikenakan pada atom yang bersangkutan sehingga terjadi interaksi antara medan magnetik luar dengan medan terinduksi dalam kulit-kulit yang terisi penuh elektron.

Medan terinduksi harus melawan medan magnetik luar sejauh mungkin untuk melenyapkan interaksi tersebut sehingga suseptibilitas (kerentanan) diamagnetik berharga negative, sehingga besaran B dalam bahan diamagnetik lebih kecil daripada dalam vakum. Jika disimpan diantara kutub-kutub dari electromagnet yang kuat, material diamagnetik akan ditarik ke daerah yang bermedan lemah. Besarnya momen magnetik yang diinduksikan sangat kecil, dan permeabilitas relatif (μr) lebih kecil dari satu.

Bahan diamagnetik adalah bahan yang resultan medan magnet atomis masing-masing atom atau molekulnya nol, tetapi orbit dan spinnya tidak nol (Halliday & Resnick, 1989). Bahan diamagnetik tidak mempunyai momen dipol magnet permanen. Jika bahan diamagnetik diberi medan magnet luar, maka elektron-elektron dalam atom akan berubah gerakannya sedemikian hingga menghasilkan resultan medan magnet atomis yang arahnya berlawanan.

Sifat diamagnetik bahan ditimbulkan oleh gerak orbital elektron sehingga semua bahan bersifat diamagnetik karena atomnya mempunyai orbital elektron. Bahan dapat bersifat magnet apabila susunan atom dalam bahan tersebut mempunyai spin elektron yang tidak berpasangan. Dalam bahan diamagnetik hampir semua spin elektron berpasangan, akibatnya bahan ini tidak menarik garis gaya. Contoh bahan diamagnetik yaitu: bismut, perak, emas, tembaga dan seng. Bahan Diamagnetic sedikit ditolak oleh medan magnet dan materi tidak mempertahankan sifat magnetik ketika bidang eksternal dihapus. Dalam bahan diamagnetic semua elektron dipasangkan sehingga tidak ada magnet permanen saat bersih per atom.

Secara susunan konpigurasi elektron kita dapat lihat bahwa bahan diamagnetik terlihat memiliki elektron yang tidak berpasangan dengan jumlah yang relatif banyak jika dibandingkan dengan jenis bahan magnet lainnya seperti yang dapat kita lihat pada tabel dibawah ini :

Diamagnetisme adalah sifat suatu benda untuk menciptakan suatu medan magnet ketika dikenai medan magnet .Sifat ini menyebabkan efek tolak menolak. Diamagnetik adalah salah satu bentuk magnet yang cukup lemah, dengan pengecualian superkonduktor yang memiliki kekuatan magnet yang kuat. Kekuatan magnet material diamagnetik jauh lebih lemah dibandingkan kekuatan magnet material feromagnetik ataupun paramagnetik . Material yang disebut diamagnetik umumnya berupa benda yang disebut 'non-magnetik', termasuk di antaranya air, kayu , senyawa organik seperti minyak bumi dan beberapa jenis plastik , serta beberapa logam seperti tembaga, merkuri ,emas dan bismut .Superkonduktor adalah contoh diamagnetik sempurna. Ciri-ciri dari bahan diamagnetic adalah:

·Bahan yang resultan medan magnet atomis masing-masing atom/molekulnya adalah nol

·Jika solenoida dimasukkan bahan ini, induksi magnetik yang lebih kecil

·Permeabilitas relatif diamagnetik adalah µr ≤ 1

2. Sifat Paramagnetik

Semua senyawa dengan momen magentik permanen menunjukkan sifat paramagnetik normal. Bahan paramagnetik adalah bahan yang resultan medan magnet atomis masing-masing atom/molekulnya tidak nol, tetapi resultan medan magnet atomis total seluruh atom/molekul dalam bahan nol (Halliday & Resnick, 1989). Hal ini disebabkan karena gerakan atom/molekul acak, sehingga resultan medan magnet atomis masing-masing atom saling meniadakan.

Bahan ini jika diberi medan magnet luar, maka elektron-elektronnya akan berusaha sedemikian rupa sehingga resultan medan magnet atomisnya searah dengan medan magnet luar. Sifat paramagnetik ditimbulkan oleh momen magnetik spin yang menjadi terarah oleh medan magnet luar. Pada bahan ini, efek diamagnetik (efek timbulnya medan magnet yang melawan medan magnet penyebabnya) dapat timbul, tetapi pengaruhnya sangat kecil.

Permeabilitas relatif paramagnetik adalah μr > 1, dan suseptibilitas magnetik bahannya mχ > 0. Contoh bahan paramagnetik: alumunium, magnesium, wolfram dan sebagainya. Bahan diamagnetik dan paramagnetik mempunyai sifat kemagnetan yang lemah. Perubahan medan magnet dengan adanya bahan tersebut tidaklah besar apabila digunakan sebagai pengisi kumparan toroida.

Suseptibilitas paramagnetic bersifat positif (kerentanan kecil untuk medan magnet) yang tak bergantung pada besar medan magnetik yang mengenainya, tetapi bergantung pada temperatur karena agitasi termal akan melawan orientasi dwi kutub magnetik. Maka, efektivitas medan magnetik akan menghilang dengan naiknya suhu. Bahan paramagnetik ini sedikit tertarik oleh medan magnet dan materi yang tidak mempertahankan sifat magnetik ketika bidang eksternal dihapus. Sifat paramagnetik adalah adanya beberapa elektron tidak berpasangan, dan dari penataan kembali elektron orbit disebabkan oleh medan magnet eksternal.

Paramagnetisme adalah suatu bentuk magnetisme yang hanya terjadi karena adanya medan magnet eksternal. Paramagnetisme diinduksi oleh momen magnet permanen elektron tak berpasangan dalam molekul dan suseptibilitas molarnya berbanding lurus dengan momentum sudut spin elektron.

Meskipun demikian, tidak seperti ferromagnetik yang juga tertarik oleh medan magnet, paramagnetik tidak mempertahankan magnetismenya sewaktu medan magnet eksternal tak lagi diterapkan.

Ciri-ciri dari bahan paramagnetic adalah:

·Bahan yang resultan medan magnet atomis masing-masing

atom/molekulnya tidak sama dengan nol

·Jika solenoida dimasuki bahan ini akan dihasilkan induksi magnet yang lebih besar

·Permeabilitasrelatif paramagnetik adalah µ> 1

Suseptibilitas diamagnetik dan paramagnetik

Telah diketahui bahwa suseptibilitas diamagnetik berharga negatif sedangkan seseptibilitas paramagnetik berharga positif. Adapun tabel suseptibilitas Magnetik beberapa bahan (pada tekanan dan suhu kamar) adalah sebagai berikut:

Dalam molekul, nilai sifat diamagnetik total merupakan jumlah dari masing-masing atomnya. Besarnya suseptibilitas diamagnetik tiap atom adalah:

X_A = -2,83 x 10 ^-10 ∑ r_i²

Dengan r _i= rata-rata jari-jari rotasi elektron (dengan asumsi rotasi elektron tidak selalu berbentuk lingkaran). Harga ini untuk tiap atom unsur, molekul, ion, gugus ion, maupun berbagai jenis ikatan telah berhasil ditentukan, dan kemudian disebut sebagai tetapan Pascal. Nilai ini sangat kecil kira-kira 10^-1 sampai 10^-3 kali dari nilai sifat magnetik, sehingga hanya merupakan faktor koreksi saja terhadap sifat magnetik senyawanya. Nilai tetapan Pascal tersebut sebagai faktor koreksi diamagentik.

Susepibilitas magnetik dan pengukurannya

Ukuran sifat magnetik suatu senyawa yang dinyatakan dengan nilai momen magnetik tidak dapat diukur langsung melainkan dihitung dari nilai suseptibilitas megnetiknya, dan nilai suspetibilitas inilah yang diperoleh dari pengukurannya. Perhatikan gambar dibawah ini:

Gambar (a) menunjukkan dua buah kutub magnet berlawanan menunjukkan garis-garis gaya dalam daerah medan magnetik. Bila suatu senyawa sampel ditempatkan dalam medan magnetik dengan kuat medan (H) (gambar b dan c) maka medan terinduksi fluks (B) dalam senyawa dinyatakan dengan hubungan:

B= H + 4πI, dengan I = Intensitas magnetis

Jika kedua ruas persamaan tersebut dibagi dengan B, maka akan diperoleh rasio B/H yang disebut sebagai permeabilitas magnetik senyawa yang bersangkutan dalam bentuk hubungan:

Rasio I/H atau sering dituliskan dengan lambang k inilah yang disebut sebagai suseptibilitas magnetik per volume atau suseptibilitas volume. Rasio B/H dapat dipandang sebagai rasio rapatan garis-garis gaya magnet dalam sampel terhadap rapatan garis-garis gaya magnet untuk area yang sama jika tanpa sampel. Dengan demikian, dalam medium vakum atau hampa (Gambar a) nilai B = H atau B/H = 1, sehingga k = nol. Senyawa diamagnetik berinteraksi menolak beberapa garis gaya (Gambar b) sehingga B < H, akibatnya susetibilitas berharga negatif. Sebaliknya, senyawa paramagnetik berinteraksi menarik beberapa gatis gaya tambahan (Gambar c) sehingga B > H dan akibatnya suseptibilitas berharga positif.

Dari gambar diatas, sampel diamagnetik tertolak keatas menjauh dari medan magnet ke daerah yang kurang rapat garis gaya magnetiknya, sehingga massa sampel menjasi lebih ringan. Sebaliknya, sampel paramagnetik tertarik ke bawah, ke daerah yang lebih rapat garis gaya magnetiknya, sehingga massa sampel menjadi lebih berat.

Perbedaan massa inilah yang mendasari pengukuran suseptibilitas magnetik suatu senyawa. Jadi, untuk mengukur besaran ini sampel yang akan ditimbang dimasukkan ke dalam tabung Gouy yang digantungkan diantara dua kutub magnet tetap atau elektromagnet (Gambar d).

3. Sifat Ferromagnetik

Berdasarkan sifat medan magnet atomisnya bahan-bahan ferromagnetik sangat mudah di pengaruhi oleh medan magnetik karena mempunyai resultan medan magnet atomis yang besar, hal ini terutama disebabkan oleh momen magnetik spin elektron. Pada bahan ferromagnetik banyak spin elektron yang tidak berpasangan, misalnya pada atom besi terdapat empat buah spin elektron yang tidak berpasangan. Masing-masing spin elektron yang tidak berpasangan ini akan memberikan medan magnetik, sehingga total medan magnetik yang dihasilkan oleh suatu atom lebih besar.

Medan magnet dari masing-masing atom dalam bahan ferromagnetik sangat kuat, sehingga interaksi diantara atom-atom tetangganya menyebabkan sebagian besar atom akan mensejajarkan diri membentuk kelompok-kelompok.

Kelompok atom yang mensejajarkan dirinya dalam suatu daerah dinamakan domain. Bahan feromagnetik sebelum diberi medan magnet luar mempunyai domain yang momen magnetiknya kuat, tetapi momen magnetik ini mempunyai arah yang berbeda-beda dari satu domain ke domain yang lain sehingga medan magnet yang dihasilkan tiap domain saling meniadakan. Bahan ini jika diberi medan magnet dari luar, maka domain-domain ini akan mensejajarkan diri searah dengan medan magnet dari luar.

Semakin kuat medan magnetnya semakin banyak domain-domain yang mensejajarkan dirinya. Akibatnya medan magnet dalam bahan ferromagnetik akan semakin kuat. Setelah seluruh domain terarahkan, penambahan medan magnet luar tidak memberi pengaruh apa-apa karena tidak ada lagi domain yang disearahkan. Keadaan ini dinamakan jenuh atau keadaan saturasi.

Permeabilitas bahan ferromagnetik adalah 0μμ>>> dan suseptibilitas bahannya 0>>>mχ. contoh bahan ferromagnetik : besi, baja, besi silicon dan lain-lain. Sifat kemagnetan bahan ferromagnetik ini akan hilang pada temperatur yang disebut Temperatur Currie. Temperatur Curie untuk besi lemah adalah 770 ⁰C, dan untuk baja adalah 1043 ⁰C (Kraus. J. D, 1970).

Bahan ferromagnetik ada yang positif, kerentanan besar untuk medan magnet luar. Mereka menunjukkan daya tarik yang kuat untuk medan magnet dan mampu mempertahankan sifat magnetik mereka setelah bidang eksternal telah dihapus bahan. Ferromagnetik memiliki elektron tidak berpasangan sehingga atom mereka memiliki momen magnet bersih. Mereka mendapatkan magnet yang kuat sifat mereka karena keberadaan domain magnetik. Dalam domain ini, sejumlah besar di saat-saat atom ⁽10¹²sampai10¹⁵⁾ adalah sejajar paralel sehingga gaya magnet dalam domain yang kuat. Ketika bahan feromagnetik dalam keadaan tidak magnetik, wilayah hampir secara acak terorganisir dan medan magnet bersih untuk bagian yang secara keseluruhan adalah nol. Ketika kekuatan magnetik diberikan, domain menjadi selaras untuk menghasilkan medan magnet yang kuat dalam bagian.. Besi, nikel, dan kobalt adalah contoh bahan feromagnetik.

Jadi, Ferromagnetisme adalah sebuah fenomena dimana sebuah material dapat mengalami magnetisasi secara spontan, dan merupakan satu dari bentuk kemagnetan yang paling kuat. Fenomena inilah yang dapat menjelaskan kelakuan magnet yang kita jumpai sehari-hari. Ferromagnetisme merupakan dasar untuk menjelaskan fenomena magnet permanen. Ciri-ciri bahan ferromagnetik adalah sebagai berikut:

· Bahan yang mempunyai resultan magnetis atomis besar

· Tetap bersifat magnetik (sangat baik sebagai magnet permanen)

· Jika solenoida diisi bahan ini akan dihasilkan induksi magnetik sangat besar.

4. Sifat Antiferomagnetik

Antiferomagnetik terjadi dalam zat dimana setiap ion atau atom paramagnetik saling berdekatan, dan masing-masing sangat dipengaruhi oleh orientasi yang berlawanan dari momen magnetik tetangganya, hingga menyebabkan peniadaan sebagian.

Sifat tersebut antara lain terdapat pada MnO, bahan keramik yang bersifat ionik yang memiliki ion-ion Mn2+ dan O2-. Tidak ada momen magnetik netto yang dihasilkan oleh ion O2-, hal ini disebabkan karena adanya aksi saling menghilangkan total pada kedua momen spin dan orbital. Tetapi ion Mn2+ memiliki momen magnetik netto yang terutama berasal dari gerak spin. Ion-ion Mn2+ ini tersusun dalam struktur kristal sedemikian rupa sehingga momen dari ion yang berdekatan adalah antiparalel. Karena momen-momen magnetik yang berlawanan tersebut saling menghilangkan, bahan MnO secara keseluruhan tidak memiliki momen magnetik.

Bahan Antiferomagnetik mempunyai suseptibilitas magnetik berharga positif dan lebih kecil daripada yang diharapkan bagi suatu tatanan ion magnetik yang bebas. Kopling antiferomagnetik menyangkut interaksi melalui anion-anionnya yang terletak diantara atom-atom logam dalam kristal, dan menghilang dalam larutan encer.

Beberapa material padatan paramagnetik menjadi feromagnetik pada temperatur rendah membentuk domain magnetik, yang di dalamnya ribuan spin elektron paralel satu sama lain. Suhu transisi paramagnetik-feromagnetik disebut suhu Curie. Bila spin tersusun antiparalel satu sama lain, bahan menjadi antiferomagnetik, dan suhu transisi paramagnetik-anti-feromagnetik disebut suhu Neel. Bahan menjadi ferimagnetik bila spinnya tidak tepat saling menghilangkan, sehingga masih ada kemagnetannya. Kini, usaha untuk membuat ion logam paramagnetik tersusun untuk menginduksi interaksi feromagnetik antar spin-spinnya. Efek ini tidak mungkin dalam kompleks monointi.

Ciri-ciri bahan antiferomagnetik adalah sebagai berikut:

· Umumnya, arah magnetisasi paralel atau antiparalel dengan sumbu kristalografi

· Derajat tatanannya rentang-jauh berkurang secara progresif dengan meningkatnya suhu dan menjadi nol pada suhu kritis, T_n (temperatur Neel)

5. Sifat ferimagnetik

Material ini mempunyai susceptibilitas magnetik yang sangat besar dan tergantung pada suhu, domain-domain magnetik dalam material ini terbagi-bagi dalam keadaan daerah yang menyearah saling berlawanan tetapi momen magnetik totalnya tak nol jika medan luar nol. Praktis semua mineral magnetik adalah ferrimagnetik. Meskipun dalam beberapa hal magnetisasi batuan bergantung terutama pada kekuatan sesaat dar sesaat dari medan magnetik bumi di sekeliling dan kandungan mineral magnetiknya.