Magnet

Latar Belakang

Magnet adalah bahan yang dapat memberikan gaya yang nyata pada bahan lain tanpa benar-benar menghubungi mereka. Gaya ini dikenal sebagai gaya magnet dan dapat menarik atau menolak. Sementara semua bahan yang diketahui mengerahkan semacam gaya magnet, itu sangat kecil di sebagian besar bahan sehingga tidak mudah terlihat. Dengan bahan lain, gaya magnet jauh lebih besar, dan ini disebut sebagai magnet. Bumi itu sendiri adalah magnet yang sangat besar.

Beberapa magnet, yang dikenal sebagai magnet permanen, memberikan gaya pada benda tanpa pengaruh luar. besi bijih magnetit, juga dikenal sebagai lodestone, adalah magnet permanen alami. Magnet permanen lainnya dapat dibuat dengan memberikan gaya magnet pada bahan tertentu. Ketika gaya dihilangkan, bahan-bahan ini mempertahankan sifat magnetiknya sendiri. Meskipun sifat magnetik dapat berubah dari waktu ke waktu atau pada suhu tinggi, bahan ini umumnya dianggap magnet permanen, maka namanya.

Magnet lain dikenal sebagai elektromagnet. Mereka dibuat dengan mengelilingi bahan-bahan tertentu dengan gulungan kawat. Ketika arus listrik dilewatkan melalui kumparan, bahan-bahan ini mengerahkan gaya magnet. Ketika arus dimatikan, gaya magnet bahan-bahan ini turun menjadi hampir nol. Bahan elektromagnetik mempertahankan sedikit, jika ada, sifat magnetik tanpa aliran arus listrik dalam kumparan.

Semua magnet memiliki dua titik di mana gaya magnet terbesar. Kedua titik ini dikenal sebagai kutub. Untuk magnet batang persegi panjang atau silinder, kutub ini akan berada di ujung yang berlawanan. Satu kutub disebut kutub pencari utara, atau kutub utara, dan kutub lainnya disebut kutub pencari selatan, atau kutub selatan. Terminologi ini mencerminkan salah satu penggunaan paling awal dari bahan magnetik seperti lodestone. Ketika digantungkan pada seutas tali, kutub utara kompas mentah pertama ini akan selalu "mencari" atau menunjuk ke arah utara. Ini membantu pelaut dalam menilai arah untuk mengarahkan untuk mencapai tanah yang jauh dan kembali ke rumah.

Dalam teknologi kami saat ini, aplikasi magnet termasuk kompas, motor listrik, oven microwave, mesin penjual otomatis yang dioperasikan dengan koin, pengukur cahaya untuk fotografi, klakson mobil, televisi, pengeras suara, dan tape recorder. Tempat catatan kulkas sederhana dan perangkat pencitraan resonansi magnetik medis yang kompleks keduanya menggunakan magnet.

Sejarah

Batu magnet magnet yang terbentuk secara alami dipelajari dan digunakan oleh orang Yunani sejak 500 SM. Peradaban lain mungkin telah mengetahuinya lebih awal dari itu. Kata magnet berasal dari bahasa Yunani magnetis lithos, batu Magnesia, mengacu pada wilayah di pantai Aegea di Turki saat ini di mana batu-batu magnet ini ditemukan.

Penggunaan pertama lodestone sebagai kompas umumnya diyakini telah terjadi di Eropa pada sekitar AD 1100 hingga M 1200. Istilah lodestone berasal dari bahasa Anglo-Saxon yang berarti "batu terkemuka", atau secara harfiah, "batu yang memimpin". Kata Islandia adalah leider-stein, dan digunakan dalam tulisan-tulisan pada periode itu sehubungan dengan navigasi kapal-kapal.

Pada tahun 1600, ilmuwan Inggris William Gilbert mengkonfirmasi pengamatan sebelumnya mengenai kutub magnet dan menyimpulkan bahwa Bumi adalah magnet. Pada tahun 1820, ilmuwan Belanda Hans Christian Oersted menemukan hubungan antara listrik dan magnet, dan fisikawan Prancis Andre Ampere memperluas penemuan ini lebih lanjut pada tahun 1821.

Pada awal 1900-an, para ilmuwan mulai mempelajari bahan magnetik selain yang berbahan dasar besi dan baja. Pada tahun 1930-an, para peneliti telah menghasilkan magnet permanen paduan Alnico pertama yang kuat. Magnet keramik yang lebih kuat yang menggunakan elemen tanah jarang berhasil diformulasikan pada tahun 1970-an dengan kemajuan lebih lanjut di bidang ini pada tahun 1980-an.

Saat ini, bahan magnetik dapat dibuat untuk memenuhi banyak persyaratan kinerja yang berbeda tergantung pada aplikasi akhir.

Bahan Baku

Saat membuat magnet, bahan baku seringkali lebih penting daripada proses pembuatannya. Bahan yang digunakan dalam magnet permanen (kadang-kadang dikenal sebagai bahan keras, mencerminkan penggunaan awal baja paduan untuk magnet ini) berbeda dari bahan yang digunakan dalam elektromagnet (kadang-kadang dikenal sebagai bahan lunak, mencerminkan penggunaan besi lunak dan lunak dalam aplikasi ini).

Bahan Magnet Permanen

Batu magnet permanen mengandung magnetit, mineral ferit besi kristal keras yang memperoleh magnetismenya dari efek medan magnet bumi terhadapnya. Berbagai paduan baja juga dapat dimagnetisasi. Langkah besar pertama dalam mengembangkan bahan magnet permanen yang lebih efektif datang pada tahun 1930-an dengan pengembangan magnet paduan Alnico. Magnet ini mengambil nama mereka dari simbol kimia untuk elemen aluminium-nikel-kobalt yang digunakan untuk membuat paduan. Setelah magnet, magnet Alnico memiliki antara 5 dan 17 kali gaya magnet magnetit.

Magnet permanen keramik terbuat dari serbuk halus barium ferit atau strontium ferit yang dibentuk di bawah panas dan tekanan. Kekuatan magnet mereka ditingkatkan dengan menyelaraskan partikel bubuk dengan medan magnet yang kuat selama pembentukan. Magnet keramik sebanding dengan magnet Alnico dalam hal gaya magnet dan memiliki keunggulan dapat ditekan ke dalam berbagai bentuk tanpa pemesinan yang signifikan.

Magnet permanen fleksibel terbuat dari bubuk barium ferit atau strontium ferit yang dicampur dalam bahan pengikat seperti karet atau plastik fleksibel seperti polivinil klorida.

Pada 1970-an, para peneliti mengembangkan magnet permanen yang terbuat dari bubuk samarium kobalt yang dilebur di bawah panas. Magnet ini memanfaatkan fakta bahwa susunan kelompok atom, yang disebut domain magnetik, dalam kristal heksagonal bahan ini cenderung sejajar secara magnetis. Karena keselarasan alami ini, magnet samarium-kobalt dapat dibuat untuk menghasilkan gaya magnet 50 kali lebih kuat dari magnetit. Headphone untuk sistem stereo pribadi kecil menggunakan magnet permanen samarium-kobalt. Magnet samarium-kobalt juga memiliki keunggulan karena dapat beroperasi pada suhu yang lebih tinggi daripada magnet permanen lainnya tanpa kehilangan kekuatan magnetnya.

Magnet permanen serupa dibuat pada 1980-an menggunakan boron besi neodymium bubuk yang menghasilkan gaya magnet hampir 75 kali lebih kuat dari magnetit. Ini adalah magnet permanen paling kuat yang tersedia secara komersial saat ini.

Bahan Elektromagnet

Besi murni dan paduan besi paling sering digunakan dalam elektromagnet. Besi silikon dan paduan besi-kobalt yang diperlakukan secara khusus digunakan dalam transformator daya frekuensi rendah.

Oksida besi khusus, yang disebut oksida besi gamma, sering digunakan dalam pembuatan pita magnetik untuk perekaman suara dan data. Bahan lain untuk aplikasi ini termasuk Ilustrasi di atas menunjukkan proses metalurgi bubuk yang biasa digunakan untuk menghasilkan magnet permanen neodymium-iron-boron yang kuat. oksida besi termodifikasi kobalt dan kromium dioksida. Bahan digiling halus dan dilapisi film plastik poliester tipis.

Bahan Magnetik Lainnya

Cairan magnetik dapat dibuat dengan mengenkapsulasi partikel barium ferit bubuk dalam satu lapisan molekul plastik polimer rantai panjang. Partikel kemudian ditahan dalam suspensi dalam cairan seperti air atau minyak. Karena enkapsulasi plastik, partikel magnetik meluncur satu sama lain dengan hampir tanpa gesekan. Partikelnya sangat kecil sehingga agitasi termal normal dalam cairan membuat partikel tidak mengendap. Cairan magnetik digunakan dalam beberapa aplikasi sebagai sealant, pelumas, atau bahan peredam getaran.

Manufaktur
Proses

Sama seperti bahan yang berbeda untuk berbagai jenis magnet, proses pembuatannya juga berbeda. Banyak elektromagnet dilemparkan menggunakan teknik pengecoran logam standar. Magnet permanen fleksibel terbentuk dalam proses ekstrusi plastik di mana bahan dicampur, dipanaskan, dan dipaksa melalui lubang berbentuk di bawah tekanan.

Beberapa magnet dibentuk menggunakan proses metalurgi serbuk yang dimodifikasi di mana serbuk halus logam dikenai tekanan, panas, dan gaya magnet untuk membentuk magnet akhir. Berikut adalah proses metalurgi serbuk yang biasa digunakan untuk menghasilkan magnet permanen neodymium-besi-boron yang kuat dengan luas penampang sekitar 3-10 inci persegi (20-65 cm persegi):

Menyiapkan bubuk logam

• 1 Jumlah neodymium, besi, dan boron yang sesuai dipanaskan hingga meleleh dalam ruang hampa. Vakum mencegah reaksi kimia antara udara dan bahan leleh yang mungkin mencemari paduan logam akhir.
• 2 Setelah logam mendingin dan mengeras, logam tersebut dipecah dan dihancurkan menjadi potongan-potongan kecil. Potongan-potongan kecil kemudian digiling menjadi bubuk halus di ball mill.

Menekan

• 3 Serbuk logam ditempatkan dalam cetakan, yang disebut die, yang panjang dan lebarnya (atau diameternya, untuk magnet bundar) sama dengan magnet yang sudah jadi. Sebuah gaya magnet diterapkan pada bahan bubuk untuk berbaris partikel bubuk. Sementara gaya magnet diterapkan, bubuk ditekan dari atas dan bawah dengan alat penumbuk hidrolik atau mekanis untuk mengompresnya hingga sekitar 0,125 inci (0,32 cm) dari ketebalan akhir yang diinginkan. Tekanan tipikal adalah sekitar 10.000 psi hingga 15.000 psi (70 MPa hingga 100 MPa). Beberapa bentuk dibuat dengan menempatkan bahan bubuk dalam wadah yang fleksibel, kedap udara, dievakuasi dan menekannya menjadi bentuk dengan tekanan cair atau gas. Ini dikenal sebagai pemadatan isostatik.

Pemanasan

• 4 "Siput" serbuk logam yang dikompresi dikeluarkan dari cetakan dan ditempatkan dalam oven. Proses memanaskan logam bubuk terkompresi untuk mengubahnya menjadi potongan logam padat yang menyatu disebut sintering. Prosesnya biasanya terdiri dari tiga tahap. Pada tahap pertama, bahan terkompresi dipanaskan pada suhu rendah untuk secara perlahan menghilangkan kelembapan atau kontaminan lain yang mungkin terperangkap selama proses pengepresan. Pada tahap kedua, suhu dinaikkan menjadi sekitar 70-90% dari titik leleh paduan logam dan ditahan di sana selama beberapa jam atau beberapa hari untuk memungkinkan partikel-partikel kecil melebur bersama. Akhirnya, bahan didinginkan perlahan-lahan dengan kenaikan suhu yang terkendali dan bertahap.

Meniup

• 5 Bahan yang disinter kemudian mengalami proses pemanasan dan pendinginan terkontrol kedua yang dikenal sebagai anil. Proses ini menghilangkan tegangan sisa di dalam material dan memperkuatnya.

Menyelesaikan

• 6 Bahan anil sangat dekat dengan bentuk dan dimensi akhir yang diinginkan. Kondisi ini dikenal sebagai bentuk "nearnet". Proses pemesinan akhir menghilangkan material berlebih dan menghasilkan permukaan yang halus jika diperlukan. Bahan tersebut kemudian diberi lapisan pelindung untuk menutup permukaan.

Magnetisasi

• 7 Sampai saat ini, materialnya hanyalah sepotong logam yang dipadatkan dan dilebur. Meskipun dikenai gaya magnet selama pengepresan, gaya itu tidak membuat bahan menjadi magnet, ia hanya melapisi partikel bubuk lepas. Untuk mengubahnya menjadi magnet, potongan ditempatkan di antara kutub elektromagnet yang sangat kuat dan diarahkan ke arah magnetisasi yang diinginkan. Elektromagnet kemudian diberi energi untuk jangka waktu tertentu. Gaya magnet menyelaraskan kelompok atom, atau domain magnetik, di dalam material untuk membuat potongan menjadi magnet permanen yang kuat.

Kontrol Kualitas

Setiap langkah dari proses manufaktur dipantau dan dikendalikan. Proses sintering dan annealing sangat penting untuk sifat mekanik dan magnet akhir dari magnet, dan variabel waktu dan suhu harus dikontrol secara ketat.

Bahan Berbahaya,
Produk Sampingan, dan
Daur Ulang

Barium dan senyawa barium yang digunakan untuk membuat magnet permanen barium ferit beracun dan dianggap sebagai bahan beracun. Perusahaan yang membuat magnet barium ferit harus mengambil tindakan pencegahan khusus dalam penyimpanan, penanganan, dan pembuangan limbah produk barium.

Elektromagnet biasanya dapat didaur ulang dengan menyelamatkan inti besi komponen dan kabel tembaga di koil. Daur ulang sebagian magnet permanen dapat dicapai dengan mengeluarkannya dari peralatan usang dan menggunakannya kembali pada peralatan baru yang serupa. Namun, ini tidak selalu memungkinkan, dan pendekatan yang lebih komprehensif untuk mendaur ulang magnet permanen perlu dikembangkan.

Masa Depan

Para peneliti terus mencari magnet yang lebih kuat daripada yang tersedia saat ini. Salah satu aplikasi magnet permanen yang lebih kuat adalah pengembangan motor listrik kecil bertorsi tinggi untuk robot industri bertenaga baterai. dan disk drive komputer laptop. Elektromagnet yang lebih kuat dapat digunakan untuk levitasi dan propulsi kereta api berkecepatan tinggi menggunakan medan magnet berdenyut. Kereta semacam itu, kadang-kadang disebut kereta maglev, akan didukung dan dipandu oleh "rel" magnetis pusat. Mereka akan bergerak tanpa pernah menyentuh rel, sehingga menghilangkan gesekan mekanis dan kebisingan. Medan magnet yang berdenyut juga dapat digunakan untuk meluncurkan satelit ke luar angkasa tanpa bergantung pada roket pendorong yang mahal dan berat.

Magnet yang lebih kuat juga dapat digunakan sebagai alat penelitian untuk mengembangkan bahan dan proses baru lainnya. Medan magnet yang intens dan berdenyut saat ini sedang digunakan dalam penelitian fusi nuklir untuk menampung plasma nuklir panas yang bereaksi yang jika tidak akan melelehkan wadah bahan padat apa pun. Medan magnet juga dapat digunakan dalam penelitian bahan untuk mempelajari perilaku semikonduktor yang digunakan dalam elektronik untuk menentukan efek pembuatan sirkuit terpadu berukuran mikro.