Mengapa Magnet Tidak Memiliki Efek pada Beberapa Logam

Magnetisme dan listrik terhubung begitu erat sehingga Anda bahkan mungkin menganggapnya sebagai dua sisi mata uang yang sama. Sifat magnetik yang ditunjukkan oleh beberapa logam adalah hasil dari kondisi medan elektrostatik dalam atom yang menyusun logam.

Faktanya, semua elemen memiliki sifat magnetik, tetapi sebagian besar tidak memanifestasikannya secara jelas. Logam yang tertarik pada magnet memiliki satu kesamaan, yaitu elektron tidak berpasangan di kulit terluarnya. Itu hanya satu resep elektrostatik untuk magnetisme, dan itu yang paling penting.

Logam yang dapat dimagnetisasi secara permanen disebutferomagnetiklogam, dan daftar logam ini kecil. Nama tersebut berasal darizat besi, kata Latin untuk besi.​

Ada daftar bahan yang lebih panjang yaituparamagnetik, yang berarti mereka menjadi magnet sementara ketika di hadapan medan magnet. Bahan paramagnetik tidak semuanya logam. Beberapa senyawa kovalen, seperti oksigen (O₂) menunjukkan sifat paramagnetik, seperti halnya beberapa padatan ionik.

Semua bahan yang bukan feromagnetik atau paramagnetik adalahdiamagnetik, yang berarti mereka menunjukkan sedikit tolakan terhadap medan magnet, dan magnet biasa tidak menarik mereka. Sebenarnya, semua unsur dan senyawa bersifat diamagnetik sampai tingkat tertentu.

Untuk memahami perbedaan antara ketiga kelas magnetisme ini, Anda harus melihat apa yang terjadi pada tingkat atom.

Dalam model atom yang diterima saat ini, nukleus terdiri dari proton bermuatan positif dan neutron elektrik netral yang disatukan oleh gaya kuat, salah satu gaya fundamental dari alam. Awan elektron bermuatan negatif yang menempati tingkat energi diskrit, atau kulit, mengelilingi nukleus, dan inilah yang memberikan kualitas magnetik.

Elektron yang mengorbit menghasilkan medan listrik yang berubah, dan menurut persamaan Maxwell, itulah resep medan magnet.Besarnya medan sama dengan luas di dalam orbit dikalikan dengan arus.Sebuah elektron individu menghasilkan arus kecil, dan medan magnet yang dihasilkan, yang diukur dalam satuan yang disebutmagneton bohr, juga kecil. Dalam atom biasa, medan yang dihasilkan oleh semua elektron yang mengorbit umumnya saling meniadakan.

Bukan hanya gerakan mengorbit elektron yang menciptakan muatan, tetapi juga sifat lain yang dikenal sebagaiberputar. Ternyata, spin jauh lebih penting dalam menentukan sifat magnetik daripada gerakan orbital, karena putaran keseluruhan dalam sebuah atom lebih cenderung asimetris dan mampu menciptakan magnet saat.

Anda dapat menganggap spin sebagai arah rotasi elektron, meskipun ini hanya perkiraan kasar. Spin adalah properti intrinsik elektron, bukan keadaan gerak. Sebuah elektron yang berputar searah jarum jam memilikiputaran positif, atau berputar ke atas, sedangkan yang berputar berlawanan arah jarum jam memilikiputaran negatif, atau berputar ke bawah.

Spin elektron adalah properti mekanika kuantum tanpa analogi klasik, dan menentukan penempatan elektron di sekitar nukleus. Elektron mengatur diri mereka sendiri dalam pasangan spin-up dan spin-down di setiap kulit sehingga menciptakan jaring nolmomen magnet​.

Elektron yang bertanggung jawab untuk menciptakan sifat magnetik adalah yang terluar, atau,valensi, kulit atom. Secara umum, keberadaan elektron yang tidak berpasangan di kulit terluar atom menciptakan momen magnet bersih dan menganugerahkan sifat magnetik, sedangkan atom dengan elektron berpasangan di kulit terluar tidak memiliki muatan bersih dan diamagnetik. Ini adalah penyederhanaan yang berlebihan, karena elektron valensi dapat menempati kulit energi yang lebih rendah di beberapa unsur, terutama besi (Fe).

Loop arus yang dibuat oleh elektron yang mengorbit membuat setiap material menjadi diamagnetik, karena ketika medan magnet diterapkan, loop arus semua sejajar berlawanan dengannya dan melawan medan. Ini adalah aplikasi dariHukum Lenz, yang menyatakan bahwa medan magnet induksi melawan medan yang menciptakannya. Jika spin elektron tidak masuk ke dalam persamaan, itu akan menjadi akhir cerita, tetapi spin masuk ke dalamnya.

Jumlah seluruhnyamomen magnet J​dari suatu atom adalah jumlah darimomentum sudut orbitdan itumomentum sudut putar. KapanJ= 0, atom adalah non-magnetik, dan ketikaJ0, atom bersifat magnetis, yang terjadi ketika setidaknya ada satu elektron yang tidak berpasangan.

Akibatnya, setiap atom atau senyawa dengan orbital terisi penuh adalah diamagnetik. Helium dan semua gas mulia adalah contoh yang jelas, tetapi beberapa logam juga diamagnetik. Berikut adalah beberapa contoh:

• Seng
• Air raksa
• Timah
• telurium
• Emas
• Perak
• Tembaga

Diamagnetisme bukanlah hasil bersih dari beberapa atom dalam suatu zat yang ditarik ke satu arah oleh medan magnet dan yang lain ditarik ke arah lain. Setiap atom dalam bahan diamagnetik adalah diamagnetik dan mengalami tolakan lemah yang sama terhadap medan magnet luar. Tolakan ini dapat menciptakan efek yang menarik. Jika Anda menangguhkan sebatang bahan diamagnetik, seperti emas, dalam medan magnet yang kuat, batang itu akan sejajar tegak lurus dengan medan.

Jika setidaknya satu elektron di kulit terluar atom tidak berpasangan, atom memiliki momen magnet bersih, dan itu akan menyelaraskan dirinya dengan medan magnet eksternal. Dalam kebanyakan kasus, perataan hilang saat bidang dihapus. Ini adalah perilaku paramagnetik, dan senyawa dapat menunjukkannya seperti halnya unsur.

Beberapa logam paramagnetik yang lebih umum adalah:

• Magnesium
• Aluminium
• Tungsten
• Platinum

Beberapa logam memiliki sifat paramagnetik yang sangat lemah sehingga responsnya terhadap medan magnet hampir tidak terlihat. Atom-atom sejajar dengan medan magnet, tetapi pelurusan sangat lemah sehingga magnet biasa tidak menariknya.

Anda tidak dapat mengambil logam dengan magnet permanen, tidak peduli seberapa keras Anda mencoba. Namun, Anda akan dapat mengukur medan magnet yang dihasilkan dalam logam jika Anda memiliki instrumen yang cukup sensitif. Ketika ditempatkan di medan magnet dengan kekuatan yang cukup, sebatang logam paramagnetik akan sejajar dengan medan.

Ketika Anda memikirkan suatu zat yang memiliki karakteristik magnetik, Anda biasanya memikirkan logam, tetapi beberapa non-logam, seperti kalsium dan oksigen, juga bersifat paramagnetik. Anda dapat mendemonstrasikan sifat paramagnetik oksigen sendiri dengan eksperimen sederhana.

Tuangkan oksigen cair di antara kutub elektromagnet yang kuat, dan oksigen akan terkumpul di kutub dan menguap, menghasilkan awan gas. Coba eksperimen yang sama dengan nitrogen cair, yang tidak bersifat paramagnetik, dan tidak akan terjadi apa-apa.

Beberapa elemen magnet sangat rentan terhadap medan eksternal sehingga menjadi magnet ketika terkena satu, dan mereka mempertahankan karakteristik magnetiknya ketika medan dihilangkan. Unsur-unsur feromagnetik ini meliputi:

• Besi
• Nikel
• Kobalt
• gadolinium
• Rutenium

Unsur-unsur ini bersifat feromagnetik karena atom individu memiliki lebih dari satu elektron tidak berpasangan di kulit orbitalnya. tapi ada hal lain yang terjadi juga. Atom-atom dari unsur-unsur ini membentuk kelompok yang dikenal sebagaidomain, dan saat Anda memperkenalkan medan magnet, domain menyelaraskan diri dengan medan dan tetap sejajar, bahkan setelah Anda menghapus medan. Respons yang tertunda ini dikenal sebagaihisteris,dan itu bisa bertahan selama bertahun-tahun.

Beberapa magnet permanen terkuat dikenal sebagaimagnet tanah jarang. Dua yang paling umum adalahneodimiummagnet, yang terdiri dari kombinasi neodymium, besi dan boron, dansamarium kobaltmagnet, yang merupakan kombinasi dari dua elemen tersebut. Dalam setiap jenis magnet, bahan feromagnetik (besi, kobalt) diperkuat oleh elemen tanah jarang paramagnetik.

​feritmagnet, yang terbuat dari besi, danalnicomagnet, yang terbuat dari kombinasi aluminium, nikel dan kobalt, umumnya lebih lemah dari magnet tanah jarang. Ini membuat mereka lebih aman untuk digunakan dan lebih cocok untuk eksperimen sains.

Setiap bahan magnetik memiliki suhu karakteristik di mana ia mulai kehilangan karakteristik magnetiknya. Ini dikenal sebagaiTitik Curie, dinamai Pierre Curie, fisikawan Prancis yang menemukan hukum yang menghubungkan kemampuan magnetis dengan suhu. Di atas titik Curie, atom-atom dalam bahan feromagnetik mulai kehilangan kesejajarannya, dan bahan tersebut menjadi paramagnetik atau, jika suhunya cukup tinggi, menjadi diamagnetik.

Titik Curie untuk besi adalah 1418 F (770 C), dan untuk kobalt adalah 2.050 F (1.121 C), yang merupakan salah satu titik Curie tertinggi. Ketika suhu turun di bawah titik Curie, material mendapatkan kembali karakteristik feromagnetiknya.

Magnetit, juga dikenal sebagai bijih besi atau oksida besi, adalah mineral abu-abu-hitam dengan rumus kimia Fe₃HAI₄ itulah bahan baku baja. Ini berperilaku seperti bahan feromagnetik, menjadi magnet permanen ketika terkena medan magnet eksternal. Sampai pertengahan abad kedua puluh, semua orang menganggapnya feromagnetik, tetapi sebenarnyaferrimagnetik, dan ada perbedaan yang signifikan.

Ferrimagnetisme magnetit bukanlah jumlah momen magnetik semua atom dalam material, yang akan benar jika mineral itu feromagnetik. Ini adalah konsekuensi dari struktur kristal mineral itu sendiri.

Magnetit terdiri dari dua struktur kisi yang terpisah, satu oktahedral dan satu tetrahedral. Kedua struktur memiliki polaritas yang berlawanan tetapi tidak sama, dan efeknya adalah menghasilkan momen magnet bersih. Senyawa ferrimagnetik lainnya yang dikenal termasuk garnet besi itrium dan pirhotit.

Di bawah suhu tertentu, yang disebutsuhu Néelsetelah fisikawan Prancis Louis Néel, beberapa logam, paduan, dan padatan ionik kehilangan kualitas paramagnetiknya dan menjadi tidak responsif terhadap medan magnet eksternal. Mereka pada dasarnya menjadi terdemagnetisasi. Hal ini terjadi karena ion-ion dalam struktur kisi material menyelaraskan diri dalam pengaturan antiparalel di seluruh struktur, menciptakan medan magnet yang berlawanan yang saling meniadakan.

Suhu Néel bisa sangat rendah, dalam urutan -150 C (-240F), membuat senyawa paramagnetik untuk semua tujuan praktis. Namun, beberapa senyawa memiliki suhu Néel dalam kisaran suhu kamar atau lebih.

Pada suhu yang sangat rendah, bahan antiferromagnetik tidak menunjukkan perilaku magnetik. Saat suhu naik, beberapa atom terlepas dari struktur kisi dan menyelaraskan diri dengan medan magnet, dan material menjadi magnetis lemah. Ketika suhu mencapai suhu Néel, paramagnetisme ini mencapai puncaknya, tetapi ketika suhu naik melebihi ini titik, agitasi termal mencegah atom mempertahankan keselarasannya dengan medan, dan magnetisme terus turun mati.

Tidak banyak elemen yang antiferromagnetik – hanya kromium dan mangan. Senyawa antiferromagnetik termasuk mangan oksida (MnO), beberapa bentuk oksida besi (Fe₂HAI₃) dan bismut ferit (BiFeO₃).