Magnet: Jenis, Bahan, Manufaktur, dan Aplikasi Masa Depan
Latar Belakang
Magnet adalah bahan yang mempengaruhi gaya magnet yang terlihat pada bahan lain tanpa kontak fisik. Gaya ini dapat menarik atau menolak, dan meskipun banyak bahan menghasilkan efek magnet lemah, hanya bahan tertentu yang menghasilkan medan yang cukup kuat untuk dianggap sebagai magnet. Bumi sendiri berperilaku sebagai magnet raksasa.
Magnet permanen mempertahankan properti magnetnya setelah medan eksternal dilepas. Batu magnes kuno—bijih besi magnetit—tetap terionkan secara alami. Magnet permanen modern diproduksi dengan menyelaraskan domain magnetik dari alloy atau ferit tertentu dan kemudian membekukan penyelarasan itu.
Magnet listrik, di sisi lain, menghasilkan medan magnet hanya saat arus listrik mengalir melalui gulungan yang dibungkus di sekitar bahan inti. Setelah arus berhenti, medan magnet runtuh, meninggalkan inti pada dasarnya non-magnetik.
Semua magnet memiliki dua kutub—utara dan selatan—di mana medan magnet terkuat. Prinsip ini mendasari kompas navigasi awal dan tetap dasar dari banyak teknologi saat ini, dari motor listrik dan trafo hingga scanner MRI dan speaker.
Sejarah
Batu magnes pertama kali didokumentasikan oleh ahli Yunani sekitar 500 SM. Istilah "magnet" berasal dari Yunani "magnetis lithos," yang berarti "batu Magnesia," setelah wilayah di Turki saat ini di mana batu magnet ini ditemukan.
Penggunaan batu magnes sebagai kompas di Eropa berawal sekitar tahun 1100–1200 M. Istilah "batu magnes" sendiri berasal dari bahasa Anglo-Saxon yang berarti "batu pemimpin." Di Islandia, istilah "leider-stein" juga digunakan untuk navigasi.
Pada tahun 1600, William Gilbert mengonfirmasi keberadaan kutub magnet dan mengusulkan bahwa Bumi adalah magnet raksasa. Tahun 1820-an melihat kemajuan ketika Hans Christian Oersted menemukan hubungan antara listrik dan magnet, diikuti oleh pengembangan lebih lanjut teori oleh André-Ampère.
Abad ke-20 membawa magnet permanen pertama yang kuat. Tahun 1930 memperkenalkan alloy Alnico, yang menawarkan 5–17× gaya magnetit alami. Tahun 1970 melihat kemunculan magnet keramik tanah langka, dan tahun 1980 menyempurnakannya menjadi varian berkinerja tinggi modern.
Saat ini, bahan magnetik dirangka untuk memenuhi kriteria kinerja tertentu, mengaktifkan berbagai macam aplikasi.
Bahan Baku
Memilih bahan baku yang tepat seringkali lebih penting daripada proses manufaktur. Magnet permanen biasanya menggunakan bahan "keras"—tahan terhadap de-magnetisasi—sedangkan magnet listrik bergantung pada bahan "lunak" yang dapat diionkan dan deionkan dengan mudah.
Bahan Magnet Permanen
Batu magnes mengandung magnetit, ferit kristal keras yang mendapatkan magnetnya dari medan magnet Bumi. Magnet permanen modern meliputi:
- Alloy Alnico (Al–Ni–Co) yang diproduksi pada tahun 1930-an; ini memberikan 5–17× gaya magnetit.
- Magnet keramik (ferit) yang dibuat dari serbuk ferit barium atau strontium. Dengan menyelaraskan partikel dalam medan kuat selama pencetakan, mereka mencapai kekuatan magnet yang setara dengan Alnico sambil menawarkan penyeberangan yang mudah.
- Magnet fleksibel yang menyematkan serbuk ferit dalam pengikat karet atau PVC, mengaktifkan bentuk fleksibel untuk aplikasi khusus.
- Magnet samarium-kobalt (tahun 1970) mencairkan serbuk samarium-kobalt di bawah panas. Struktur kristal heksagonal mereka menyelaraskan domain magnet secara alami, menghasilkan gaya 50× magnetit dan kinerja suhu tinggi yang baik.
- Magnet neodymium-besi-boron (NdFeB) (tahun 1980) menghasilkan gaya hampir 75× magnetit, dan adalah magnet permanen komersial terkuat yang tersedia.
Bahan Magnet Listrik
Magnet listrik biasanya menggunakan besi murni atau alloy besi. Besi silikon dan alloy besi-kobal yang ditrakt khusus dipilih untuk trafo daya frekuensi rendah. Dalam perekaman magnetis, oksida besi gamma khusus dilapisi pada film polyester, bersama dengan oksida besi modifikasi kobal atau dioksida krom, untuk menghasilkan pita magnetik padat tinggi.
Gambar di bawah ini menggambarkan proses metalurgi serbuk yang digunakan untuk membuat magnet permanen neodymium-besi-boron yang kuat.
Bahan Magnetik Lainnya
Cairan magnetis diproduksi dengan mengenkapsulasi partikel ferit halus dalam cangkang polimer satu molekul. Partikel tetap tersuspensi dalam air atau minyak, bergulir satu sama lain dengan gesekan minimal. Ferrofluida ini digunakan sebagai perekat, pelumas, dan penekan getaran.
Proses Manufaktur
Metode manufaktur bervariasi menurut tipe magnet. Magnet listrik biasanya dicetak menggunakan teknik pencetakan logam standar. Magnet permanen fleksibel dibentuk melalui ekstrusi plastik, sementara magnet permanen yang kuat seringkali diproduksi melalui jalur metalurgi serbuk yang dimodifikasi.
Langkah berikutnya menguraikan proses metalurgi serbuk tipikal untuk magnet neodymium-besi-boron (penampang 3–10 inci persegi / 20–65 cm persegi):
Menyiapkan Serbuk Logam
- 1. Neodymium, besi, dan boron dicairkan bersama dalam vakum untuk mencegah kontaminasi.
- 2. Aloy leleh didinginkan, dihancurkan, dan di-ball-mill menjadi serbuk halus.
Pencetakan
- 3. Serbuk ditempatkan dalam cetak yang sesuai dengan dimensi magnet akhir. Medan magnet menyelaraskan partikel, dan ram hidraulik atau mekanis menekan bahan hingga 0,125 inci (0,32 cm) dari ketebalan akhir, dengan tekanan 10.000–15.000 psi (70–100 MPa). Beberapa bentuk dibuat oleh kompresi isostatik menggunakan cairan atau tekanan gas.
Pemanasan (Sintering)
- 4. "Slug" yang ditekan disinter dalam oven. Proses melibatkan tiga tahap: pemanasan suhu rendah awal untuk mengurangi kelembaban, tahap kedua pada 70–90% titik leleh aloy yang dipertahankan selama jam-jam untuk menyatukan partikel, dan pendinginan yang dikontrol untuk mencegah retakan.
Aniling
- 5. Langkah perawatan panas kedua menghilangkan stres sisa dan memperkuat magnet.
Penyelesaian
- 6. Bentuk near-net diolah ke dimensi akhir, permukaan dihaluskan, dan lapisan pelindung diterapkan.
Magnetisasi
- 7. Potongan yang dianil ditempatkan di antara kutub magnet listrik kuat dan diorientasi untuk polaritas yang diinginkan. Mengaktifkan magnet listrik menyelaraskan domain magnetik, mengubah bahan menjadi magnet permanen.
Kontrol Kualitas
Setiap langkah manufaktur dipantau dengan ketat. Kontrol suhu dan waktu selama sintering dan aniling krusial untuk mencapai properti mekanik dan magnet yang diperlukan.
Bahan Berbahaya, Hasil Samping, dan Daur Ulang
Barium dan senyawanya, yang digunakan dalam magnet ferit barium, beracun dan harus ditangani dengan protokol keselamatan yang ketat selama penyimpanan, penanganan, dan pembuangan.
Magnet listrik dapat didaur ulang dengan menyelamatkan inti besi dan kawat tembaga. Daur ulang parsial magnet permanen mungkin dengan menggunakan kembali komponen dari peralatan usang, tetapi metode daur ulang komprehensif untuk magnet berkinerja tinggi masih dalam pengembangan.
Masa Depan
Penelitian terus mendorong batas kinerja magnet. Magnet permanen yang lebih kuat dapat memungkinkan motor listrik kompak dengan torsi tinggi untuk robot industri yang didorong baterai dan hard disk laptop. Magnet listrik yang lebih kuat dapat memfasilitasi kereta maglev, mengurangi gesekan dan kebisingan, atau bahkan memungkinkan sistem peluncuran satelit yang mengandalkan medan magnet pulse bukan roket konvensional.
Medan magnet pulse intens sudah digunakan dalam eksperimen fusi nuklir untuk menahan plasma panas dan dalam ilmu materi untuk mempelajari perilaku semiconductor pada skala mikro.
