&5' tF

t''

l5$1{r t0$m77l

-$frAS.-;"s li.L,ltr" Adl*,old

pr)csrDrH$ $ril:NARrr$IT{ADAHAPI TKASTNYA

IAHUN 2OOO

$urabaya, 3 l{opember 2H}9

)

Diselenggarakan olehJurusan Fisika

Fakultas Matematika dan llmu Pengetahuan Alamlnstitut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya

Pe ndukung,{cara:

lnstitutTeknotqgiSepuluh Nopemlxr

a

eR, -:"4. I-ry"\-,e*--F

a '' 'a,

4s tuffiWffi{

--

Seminar Fisika dan Aplikasinya 2009Surabaya, 3 Nopember 2009

PENENTUAN SUHU CURIE BESIDENGAFI METODE KAWAT BERARUS LISTRIK

Okimustava'), Raden Oktova2)Program Magister Pendidikan Fisika, Program pascasarj ana

Universitas Ahmad Dahlan Yogyakarta

',";Hxl;1i"ffi::li"li);llf.ifffi -,:^:buadacid

Abstrak

Telah dilakukan percobaan untuk menentukan suhu Curie bahan feromagnetik untuk besi, yaitusuhu kritis transisi dari sifat feromagnetik ke paramagnetik. Pengamatan suhu Curie dilakukandengan cara memanasi sebuah kumparan kawat besi dengan arus listrik, dan pada saat mencapaisuhu Curie kawat yang mula-mula menempel pada sebuah magnet permanen akan terlepas darimagnet permanen tersebut. Sebagai sampel digunakan sepuluh kumparan kawat besi denganpanjang bervariasi dari 3,5 m,4 m,4,5 m,5 m,5,5 m,6 m,6,5 m, dan 7 m, 7,5 m, hingga g m.Pengamatan suhu Curie dilakukan dengan mengukur tegangan dan hambatan ketika kumparanterlepas dari magnet permanen. Analisis yang digunakan adalah regresi linier tanpa bobotberdasarkan metode kuadrat terkecil. Suhu Curie yang diperoleh adalah (989 + 184) K, sesuaidengan nilai acuan sebesar 1043 K.

Kata kunci: suhu Curie, bahan feromagnetik, regresi linier.

1. PendahuluanSuhu Curie adalah suhu kritis terjadinya

transisi fase feromagnetik suatu bahan padatmenjadi paramagnetik akibat pemanasan(Kittel,1996: 443-446), dan dapat diamatidengan terlepasnya suatu bahan feromagnetik,yang dipanasi, dari magnet perrnanen,Percobaan terdahulu tentang penentuan suhuCurie bahan feromagnetik telah dilakukan olehKizowski, dkk (2007), dengan menggunakansuatu bahan feromagnetik Kanthal D dan suhuCurie dihitung langsung tanpa analisis regresidan hasilnya jauh lebih kecil dari nilai acuan.Velasco dan Roman (2007) menentukan suhuCurie besi dan nikel dengan kawat dibakarmenggunakan api dari gas, dan nilai suhuCurie yang diperoleh juga jauh lebih kecil darinilai acuan.

Penulis melihat bahwa dari percobaan-percobaan terdahulu tersebut nilaieksperimental yang diperoleh jauh lebih kecildari nilai acuan, dan hal ini boleh jadidisebabkan dalam analisisnya tidak digunakan

regresi linier. Untuk itu, telah dilakukan suatupercobaan untuk menenfukan suhu Curie besidengan metode serupa dengan yang digunakanoleh Kizowski dkk. namun kali ini analisisregresi linier digunakan dalam perhitungansuhu Curie, karena dengan regresi linier dapatsetidaknya dilakukan pengecekan apakahmodel teoretis yang dipakai memang berlaku,dan perhitungan suhu Curie menjadi lebihteliti karena akan terbebas dari pengaruhadanya ralat sistematik zero offset.

2. Landasan Teori

^. Bahan magnetikBahan feromagnetik merupakan bahan

yang memiliki kerentanan magnetik positif.Feromagnetisme muncul dari bahan besimurni, cobalt, nikel, dan perpaduan darilogam-logam tersebut. Pada bahanferomagnetik terjadi suatu bentuk khususinteraksi yang dinamakan kopling pertukarandiantara atom-atom yang berdekatan. Jika suhudinaikkan sampai di atas nilai kritis tertentu,maka kopling pertukanan akan lenyap dan

-Seminar Fisika dan Aplikasinya 2009Surabaya, 3 Nopember 2009

bahan-bahan tersebut akan bersifatparamagnetik. Sifat utama bahan feromagnetikadalah bahwa bahan ini menunjukanmagnetisasi permanen yang mengakibatkanterjadinya kecenderungan alamiah darimomen-momen dipol magnetik atom ataumolekulnya untuk bersejajar karena interaksitimbal baliknya. Feromagnetisme dihubungkandengan interaksi antara spin S1 dan,S: dari duaelektron dalam atom yang sama. Interaksi inipada dasarnya berbentuk -jSt.Sz, dengankuantitas j, yang disebut integral pertukarantergantung pada jarak antara elekhon-elektrontersebut. Ketika j bernilai positif,kesetimbangan tercapai jika S, dan

^S2 sejajar,

yang menghasilkan arah putaran spin-spinelektron sejajar dalam daerah-daerahmikroskopik yang disebut domain-domain,yang mempunyai dimensi dengan orde l0-r2 -l0-o m, dan terdiri atas 1017-102r atom. Arahmagnetisasi dari suatu domain tergantung padastruktur kristal tersebut. Misalnya untuk besi,yang mengkristal dengan struktur kubus, arah-arah dari magnetisasi mudah adalah sepanjangketiga kubus tersebut. Pada sepotong materi,domain tersebut bisa diarahkan ke arah-arahyang berbeda, sehingga efek mikroskopik totalbisa bernilai nol atau diabaikan. Adanya suafamedan magnetik menyebabkan domain yangdiarahkan . dengan baik menurut medanrnagnetik tersebut tumbuh dengan tanggungandari domain yang tidak diarahkan dengan baik,ketika kekuatan medan magnetik luar tersebutbertambah besar, magnetisasi domain tersebutcenderung sejajar dengan arah medan, danpotongan materi tersebut menjadi magnet.Contoh gambar domain bahan feromagnetikditunjukan oleh gambar l. Feromagnetismeadalah sifat yang sangat tergantung pada suhu,dan untuk setiap bahan feromagnetik terdapatsuhu yang disebut suhu Curie. Fenomena initerjadi ketika gerakan termal cukup kuat untukmenggeser gaya-gaya pengarah (Alonso danFinn, 1994: 159).

Gambar l. Domqin(Kinel, I 996: 475).

bahan feromagrretik

Bahan paramagnetik adalah bahan-bahanyang memiliki kerentanan magnetik I ^positif dan sangat kecil. Paramagnetisme

muncul dalam bahan yang atom-atomnyamemiliki momen dipol magnetik permanenyang berinteraksi satu sama lain secara sangatlemah. Apabila terdapat medan magnetik luar,momen dipol magnetik ini akan berorientasisecara acak.

b. Suhu CurieHilangnya magnetisasi pada suhu Curie

merupakan transisi fase orde dua danmerupakan titik kritis. Menurut Kittle (1996),di dalam bahan akan terjadi medan magnetikpertukaran yang setara dengan suatu induksimagnetik B,,yang besarnya hampir mencapai10? gauss dan disebut juga medan Weiss. Padahampiran medan rata-rata (mean fieldapproximation), diasumsikan atom-atommengalami induksi magnetik rata-rata B yangsebanding dengan magnetisasi, M

B=).M, (1)di mana ,t sebuah konstanta yang tidakbergantung pada suhu. Hal ini berarti setiapspin mengalami magnetisasi rata-rata semuaspin lainnya. Dalam kenyataannya, sebenarnyasetiap spin hanya mengalami magnetisasi daritetangga-tetangga terdekatnya, sehinggapersamaan (1) perlu dikoreksi. Suhu Curieadalah suhu di mana magnetisasi spontanlenyap, dan memisahkan fase paramagnetik(keadaan kacau atau disordered) pada suhutinggi, T) 7,, dari fase feromagnetik (keadaanteratur atau ordered) pada suhu rendah, T < 7,.Kita dapat mencari 4, dinl'31uLan dalam 1.Dalam fase paramagnetik, induksi magnetikluar Bo akan menyebabkan magnetisasipertukaran yang setara dengan induksimagnatik pertukaran 8". Jika Xp adalahkerentanan paramagnetik, maka dalam satuancgs berlaku

M=Xr(8"+8"). (2)

(Dalam satuan SI kesebandingan padapersamaan (2) masih berlaku, hanya saja ruaskiri masih harus dikalikan permeabilitashampa, Fo. Untuk selanjutnya, digunakan

sistem cgs, kecuali disebutkan lain).Magnetisasi hanya sama dengan suatukerentanan konstan dikalikan dengan induksimagnetik jika medan pengarah kecil, dengankata lain ini berlaku untuk fase paramagnetik.

Kerentanan paramagnetik diberikan olehhukum Curie Xr:ClT, dengan C adalah

konstanta Curie. Substitusi persamaan (l) ke

-

Seminar Fisika dan Aplikasinya 2009Surabaya, 3 Nopember 2009

dalam persamuunMT:C(8"+11V4) dan

@ menghasilkan

MC"- =-:- t:l'1J Bo T -u"'

Kerentanan pada persamaan (3) mempunyaisingilaritas pada T:C).. Pada suhu ini kebawah, magnetisasi terjadi secara spontan,sebab jika X tak berhingga maka M tetapberhingga untuk Bo sama dengan nol. Daripersamaan (3) dapat diperoleh hukum Curie-Weiss

CI= t T"=CA. (4)T _7,'

Persamaan (4) mendeskripsikan secara cukupteliti variasi kerentanan dalam daerahparamagnetik di atas suhu Curie. Perhitunganyang lebih terinci (Domb, 1965) menghasilkanpersamaan

Ix cto. -\Y'

pada suhu yang sangat mendekati 1.., sesuaidengan data eksperimental.

Dari persamaan (4) dan definisikonstanta Curie C, kita dapat menentukan nilairata-rata konstanta A pada persamaan I

2"- (6)C Ng,g(S +l)p'u'

c. Penentuan Sulu Curie EtahanFeromagnetik

Pada penentuan suhu Curie besi denganmenggunakan metode kumparan kawatberarus, jika kumparan dipanaskan dari suhukamar Tske T, maka diperlukan kalor sebesar(Kizowski dkk,2007)

Q: mc(T *To), (7)dengan m adalah massa kumparan dan c kalorjenis kumparan, namun ketika sebuahkumparan dipanaskan, maka kumparantersebut akan menjadi panas sehingga ada dayayang diradiasikan dui kumparan tersgbutsebesar

Pmdnsi = eoS(Ta -Too), (8)dengan ,S dan e berturut-turut adalah luaspermukaan kumparan dan emisivitas bahan,dan o adalah konstanta Stefan-Boltzman yangbesarnya 5,675x l0-8 Wm-2K-a. Dengandemikian daya listrik yang dihasilkan adalah

Setelah suhu kawat konstan sehingga I samadengan Tr, maka dQ/dt sama dengan nolsehingga diperoleh

D_ Dt -lradiui t

atautt2L-=eos(T"o -Too),,R

\C

sehingga

v2 =eosR(T"o -Too),dengan R adalah hambatan listrik kawat. Luaspermukaan kawat S : rd(d + L), dan karenaL>> d, maka

^9 dapat dihampiri dengan trdl,

sehingga diperoleh hubungan

v2 = eordR(T,o -Ton)L . (13)

Dengan y : V2 dan x : Z, persamaan (13)merupakan persamaan linier berbentuk

/=do+91x, (14)

dengan as dan a1 merupakan koefesien-koefisien yang dapat dicari dengan regresilinier tanpa bobot (Kurniawan & Oktova,2008)

nI(r,y,)-I',Iy,

, =#* Pmdasi . (e)

(10)

(11)

(12)

(s)

3kT,T"-Qr:

N>,I _(I,I ,

ZtZ,v, -Z',26,v,)NI,,? -E*I

dengan ralat baku estimasi adalah

si=

ralat al dapat dihitung dari

so, = Ji *Z.i -(I",I'dan ralat asdapat dihitung dari

Joo = si

sehingga

ar = eordR(T,o -Too),dan T, dapat dihitung dari persamaan

ao=

( l5)

, (16)

(r7)

( l8)

(1e)

N

NI','-(I',I '

(20)

Seminar Fisika dan Aplikas inya 20A9Surabaya, 3 Nopember 2A09

,:r@' V eotdR )

Ralat T" dapat kita hitung dariperambatan ralat

',"={#,.,)'* (#,,)' .

m, hingga 8 m yang terbuat dari bahanbesi.Statif sebagai tempat memasang kumparankawat dan magnet pennanen.Magnet permanen berbentuk silinderberongga, diambil dari speaker radio.Gaussmeter digunakan untuk mengukurbesar induksi magnetik dari mignetperrnanen, dan dari 5 kali pengukurandiperoleh hasil sebesar (194,44 + 0.53)gauss.

Termometer digital digunakan untukmengukur suhu kamar.

Gambar 2. Alat percobaan penentuan suhu Curiebesi dengan percobaan kawat berarus listrik.

Slide regulalor dihubungkan dengan sumbertegangan kemudian tegangan divariasi dengankenaikan sebesar 5V sampai kawat terle,lasdari magnet permanen. Ketika kawat terlepasdari magnet permanen, dicatat tegangan (V")serta hambatan pada kawat (R). prosedur inidiulang untuk panjang kawat yang berbeda_beda. Analisis regresi linier Ir' ierhadap Lsesuai per. (13) menggunakan MS Excel 2007,dan menghasilkan as dan o1. Nilai o1digunakan untuk menghitung T, denganmenggunakan persamaan (21) serta ralatnyamenggunakan persama an (22).

4. Ifasil dan PembahasanBerdasarkan hasil percobaan diperoleh

nilai tegangan ketika kawat terlepas darimagnet sehingga dapat dilakukan analisisregresi linier dan dibuat grafik yang ditunjukanpada gambar 3 sehingga diperoleh suhu Curiebesi sebesar (98*t184) K, sesuai dengan nilaiacuan yaitu 1043 K. Dalam percobaan ini,perhitungan suhu Curie menggunak an nilai Toyang diukur di luar kumparan dengan jarak Icm dari kumaparan. Hal ini dikarenakan suhulingkungan yang dimaksud adalah suhulingkungan yang sangat dipengaruhi olehperubahan suhu akibat adanya pemanasan padakumparan. Ringkasan data yang diperolehditunjukan pada tabel l.

(2t)

rumus

7.

8.

9.[#".)' .(#,,,]']", (22)

dengan

or,-.r ( o, -ro)-i0o, eotdR\eordR''o )or"- o ( o,,ro)-iAd eotdzR\eodR ' 'o )or,-- o ( o, -ro)-iAR eozdR2\eotdR''o )

+:4r;(+;*4,] i e3)0To " \eor-n )3. Metode Penelitian

Percobaan penenfuan suhu Curiebahan feroniagnetik dilakukan di LaboratoriumFisika Dasar Universitas Ahmad DahlanYogyakarta, dengan kawat besi sebagai sampelbahan feromagnetik, dan susunan alatditunjukkan oleh gambar 2. Alat dan bahanyang digunakan adalah sebagai berikut.1. Slide regulotor dengan daya 2 kVA

digunakan sebagai pengatui tegangan,dengan slide regulator ni, tegangui diutu,kelipatan 5V sehingga didapat-kan arusyang bervariasi nilainya

2. {i!"1 penghubung sebagai penghubungslide regulafor, ohmmetei, dan u-olt-"t",dengan kumparan.

3. Ohmmeter digital untuk membacahambatan ketika kawat terlepas darimagnet.

4. Voltmeter digital untuk membaca teganganmasukan dari slide regulator ugui l"bihteliti.

5. Kumparan dengan panjang kawat 3,5 m, 4m, 4,5 m, 5 m, 5,5 m, 6 m, 6,5 m,7 m,7,5

-

-!

10500

_ 9500

-:: 75mo€6m,Ii ssm

E4mE 3500

- 2500

1500

Gnfik Hubungan Kuadral Tegargan terhadap

Panjang Kawd

3.0 1.0 5.0 6.0 7.0 8.0

Panjang hwall (ml

V? " 1799t -

R? = 0.9888

I Hrb-g-vf2 thd

Panjang

kawal

- Linear

(Hubungn

VTIM

Panjang

karat)

Gambar 3. Grafft hubungan antara panjang kawat,I(m) dengan kuadrat tegangan, lP Qotf).

Selama percobaan ditemui beberapakesulitan. Salah satu diantaranya adalah waktupembacaan nilai tegangan dan hambatan yangharus tepat ketika kawat terlepas dari magnetpermanen. Untuk tegangan yang ditunjukandalam voltmeter, satu digit terakhir mengalamiperubahan berkisar antara +lV dan begitu pulanilai hambatan yang ditunjukan dalamohmmeter, satu digit terakhir mengalamiperubahan berkisar antara +0,01 Ohm. Selainitu juga dalam percobaan ditemukan magnetperrnanen yang ikut panas ketika kawat dialiriarus listrik sehingga kuat medan magnetnyamenjadi berkurang.

Tabel 1. Nilai-nilai berbagai besaran dalampercobaan.

Besaran Nilaia,(Wm-'f)) 1799+.6',7

d (m\ (9.3+0.9)10*R (O) 18,4+l,l7:(K) 481,4+12,6r"(K) 989+184

Seminar Fisika dan Aplikasinya 2009Surabaya, 3 Nopember 2009

linier tanpa bobot sehingga diperoleh suhuCurie sesuai dengan persamaan (21) dengannilai ralat rSla persamaan (22) diaurr}lil dariralat T" hasil eksperimen yang dilakukanberulang. Sehingga dapat diperoleh nilaikesimpulan yang sahih.

Kesimpulan dan Saran

Dengan percobaan penentuan suhu Curiebesi menggunakan analisis regresi linier tanpabobot diperoleh nilai suhu Curie sesuaidengan nilai acuan.

Untuk penelitian lanjutan disarankan agardigunakan berbagai jenis bahan lain.

Daftar PustakaAlonso, M. & Finn, E.J. 1980. Fundamental

University Plrysics, 2nd Edition. Alihbahasa Prasetyo, L dan Kusnul H. 1994.Dasar-dasar Fisika Universitas Jilid 2:Medan dan Gelombang. Jakarta: Erlangga.

Domb, C. 1965. Magnetism, Vol. 2,{ (editorsG.T. Rado & H.S. Suhl), Academic Press.

Kittel, C. 1996. Introduction to Solid StatePhysics Seventh Edition. New York: JohnWilley & Sons.

Kizowski, C. dkk. 2007. Finding the CurieTemperature for Fetomagnetic Material.Journal of Physics Teacher vol. 4. hal. 3l-32.

Kurniawan, E. S. & Oktova, R. 2008.Penentuan Silinder Pejal denganPercobaan Bidang Miring. ProsidingSeminar Nasional Fisika, Pembelajarandan Aplikasinya. Volume l. Yogyakarta:PPS Pendidikan Fisika UAD.

Velasco, S & Roman, F. L. 2007. Determiningthe Curie Temperature of lron and Nickel.Journal of Physics Teacher Vol. 45. hal.3 87-389.

Sebagai catatan dalam penelitian inianalisis data dilakukan dengan analisis regresi