Cara Kerja Magnet: Kutub, Elektron, Besi Menempel

Kemagnetan bermuara pada elektron, menurut Laboratorium Medan Magnet Tinggi Nasional (National High Magnetic Field Laboratory, MagLab). Setiap magnet punya kutub utara dan kutub selatan, kutub berlawanan saling menarik, dan kutub sejenis saling menolak.

1. Hal yang dimiliki setiap magnet

MagLab mencantumkan beberapa sifat yang dimiliki semua magnet:

• Setiap magnet punya kutub utara dan kutub selatan.
• Kutub berlawanan saling menarik, dan kutub sejenis saling menolak. Utara menarik selatan; utara menolak utara.
• Setiap magnet dikelilingi medan magnet. Menurut konvensi, garis medan menjauhi kutub utara dan menuju kutub selatan.

Bumi sendiri adalah magnet raksasa. MagLab menjelaskan bahwa ilmuwan meyakini medan magnet Bumi berasal dari arus konveksi di inti luar cair planet, yang sebagian besar tersusun dari besi. Ini disebut geodinamo.

2. Semuanya bermuara pada elektron

Menurut MagLab, semua kemagnetan bermuara pada elektron, dengan salah satu dari dua cara:

1. Elektron yang bergerak. Arus listrik, yaitu aliran elektron melalui kawat, selalu menciptakan medan magnet. Beginilah elektromagnet bekerja.
2. Elektron yang berputar (spin). Pada magnet permanen seperti yang ada di kulkas Anda, kemagnetan berasal dari spin elektron. Setiap elektron bertindak seperti magnet mungil dengan kutub utara dan selatannya sendiri, dan sumbunya dapat mengarah ke salah satu dari dua arah yang mungkin.

3. Mengapa kebanyakan benda tidak magnetis

Jika setiap elektron adalah magnet mungil, mengapa tidak semuanya magnetis?

MagLab menjelaskan bahwa pada kebanyakan bahan, atom tersusun sehingga orientasi magnetis satu elektron meniadakan orientasi elektron lain. Semua magnet mungil itu mengarah berlawanan, dan efeknya, bila dijumlahkan, tidak menghasilkan apa pun yang bisa Anda rasakan.

4. Apa yang membuat besi istimewa: domain magnetik

Besi dan beberapa zat lain berbeda. Atom-atomnya berkelompok dalam daerah kecil yang disebut domain magnetik. Di dalam setiap domain, elektron berbagi orientasi magnetis yang sama.

Lalu mengapa paku besi biasa bukan magnet? Karena domain-domainnya sendiri mengarah ke arah berbeda, sehingga secara keseluruhan tetap saling meniadakan.

Letakkan paku itu dalam medan magnet, dan domain mulai sejajar ke arah yang sama. MagLab menggambarkan hasilnya secara sederhana: magnet permanen adalah benda yang semua domainnya sejajar ke arah yang sama.

Bahan yang berperilaku seperti ini disebut feromagnetik (ferromagnetic). MagLab mencatat bahwa hanya empat unsur yang feromagnetik pada suhu ruang dan dapat dimagnetkan secara permanen: besi, nikel, kobalt, dan gadolinium. Unsur kelima, disprosium, menjadi feromagnetik hanya pada suhu rendah. Aluminium tidak ada dalam daftar itu, itulah sebabnya magnet meluncur dari kaleng soda aluminium. Sebaliknya, pintu kulkas adalah salah satu magnet sementara sehari-hari yang dicantumkan MagLab dalam kegiatan kelasnya.

5. Magnet permanen vs magnet sementara

Magnet permanen mempertahankan kemagnetannya tanpa daya apa pun. Anda tidak bisa mematikannya. MagLab menyebut magnet keramik dan alnico, paduan aluminium, nikel, dan kobalt, sebagai dua jenis yang umum.

Magnet sementara bertindak seperti magnet hanya saat berada dalam medan magnet. Besi lunak berperilaku demikian, dan MagLab mencatat bahwa inilah sebabnya besi dipakai sebagai magnet sementara pada perangkat seperti telepon dan motor listrik.

Anda bisa melihatnya dengan klip kertas. Dalam kegiatan kelas MagLab, klip kertas yang menyentuh magnet menjadi magnet itu sendiri dan dapat menahan klip kedua. Tarik kedua klip perlahan dan keduanya masih saling menempel beberapa saat, karena elektron-elektronnya masih teratur. Jatuhkan di atas meja dan guncangan itu mengacaukan keteraturan tersebut, sehingga kemagnetannya hilang.

6. Bagaimana magnet kehilangan dayanya

"Permanen" tidak berarti selamanya. MagLab menggambarkan dua cara utama untuk menghilangkan kemagnetan magnet:

• Panas. Menambah panas menambah energi yang mengganggu keselarasan. Suhu saat magnet tidak lagi dapat mempertahankan medannya disebut titik Curie (Curie point).
• Benturan. Pukulan keras, misalnya dari palu, dapat menggeser domain yang sejajar sehingga tak lagi sejajar.

Berapa lama magnet bertahan bergantung pada bahannya. MagLab mencatat bahwa besi murni tetap termagnetkan hanya beberapa menit, sedangkan banyak paduan besi mempertahankan kemagnetannya jauh lebih lama.

7. Elektromagnet: magnet dengan sakelar nyala

Pada 1819, Hans Christian Ørsted memperhatikan jarum kompas berputar saat berada di dekat kawat berarus. MagLab menjelaskan alasannya: arus selalu membangkitkan medan magnet yang melingkari kawat.

Satu kawat lurus menghasilkan medan lemah. MagLab menjelaskan cara memperkuatnya:

1. Lilitkan kawat. Melilitkannya menjadi gulungan menggabungkan medan-medan terpisah menjadi medan yang jauh lebih kuat. Gulungan seperti ini disebut solenoid, dan medannya bertambah sebanding dengan jumlah lilitan. Sepuluh lilitan memberi sekitar 10 kali medan satu lilitan.
2. Tambahkan inti besi. Domain besi sejajar dengan medan gulungan dan meningkatkannya secara signifikan tanpa memakai lebih banyak listrik.
3. Naikkan arus. Daya yang lebih besar melalui gulungan berarti medan yang lebih kuat.

Matikan arus, dan medan lenyap.

8. Seberapa kuat sebuah magnet?

Ilmuwan mengukur kekuatan medan magnet dalam tesla dan gauss, di mana 1 tesla sama dengan 10.000 gauss. MagLab memberi beberapa perbandingan:

Elektromagnet dapat mencapai nilai jauh lebih tinggi daripada magnet permanen, itulah sebabnya laboratorium riset dan pemindai MRI rumah sakit mengandalkannya.

9. Poin-poin utama

• Setiap magnet punya kutub utara dan selatan; kutub berlawanan saling menarik dan kutub sejenis saling menolak.
• Kemagnetan berasal dari elektron, baik mengalir sebagai arus maupun berputar di tempat.
• Pada kebanyakan bahan, magnet elektron saling meniadakan; pada besi dan beberapa logam lain, mereka sejajar dalam domain.
• Magnet permanen adalah bahan yang semua domainnya mengarah ke arah yang sama; panas atau benturan keras dapat mengacaukannya.
• Elektromagnet adalah gulungan berarus, sering dengan inti besi, dan mati ketika arus berhenti.