Sifat Magnetik Bahan: Ferromagnetik, Paramagnetik & Diamagnetik — Fisika Kelas 11–12

Setelah ini kamu bisa membedakan tiga kelas bahan magnetik — ferromagnetik, paramagnetik, dan diamagnetik — dan menjelaskan responsnya terhadap medan luar lewat konsep domain.

Sentuhkan magnet ke paku besi — ia melompat menempel kuat. Sentuhkan ke sepotong aluminium — nyaris tak ada reaksi. Sentuhkan ke bongkahan bismut — ia justru sedikit ditolak. Tiga respons yang berbeda dari satu magnet yang sama. Rahasianya ada di tingkat atom: bagaimana momen magnetik partikel-partikel bahan merespons medan luar. Coba lihat sendiri di bawah bagaimana “anak panah” domain-domain magnet berbaris.

Geser titik-titik domain dan amati bagaimana orientasinya berbaris searah saat medan luar kuat.

Tiga respons bahan terhadap medan luar

Setiap bahan, dilihat dari tingkat atom, terdiri dari partikel bermuatan yang bergerak (elektron mengorbit dan berputar). Gerak ini menciptakan momen magnetik kecil di tiap atom. Saat bahan diletakkan dalam medan magnet luar, momen-momen ini merespons — dan responsnya menentukan kelas magnetik bahan.

Ferromagnetik = bahan yang ditarik kuat oleh magnet (besi, nikel, kobalt). Paramagnetik = bahan yang ditarik sangat lemah (aluminium, platina, oksigen cair). Diamagnetik = bahan yang sedikit ditolak oleh magnet (bismut, tembaga, air, emas).

Bedanya radikal. Ferromagnetik bisa menjadi magnet permanen — momennya tetap berbaris walau medan luar dimatikan. Paramagnetik hanya merespons selama medan lalu kembali acak. Diamagnetik bahkan melawan medan luar, menghasilkan tolakan kecil.

Kelas	Respons	Contoh	Susceptibilitas $\chi$	Sifat magnet
Ferromagnetik	Ditarik kuat	Fe, Ni, Co	$\gg 0$ (besar positif)	Bisa permanen
Paramagnetik	Ditarik lemah	Al, Pt, O₂ cair	$\gtrsim 0$ (kecil positif)	Sementara
Diamagnetik	Ditolak lemah	Bi, Cu, air, Au	$< 0$ (kecil negatif)	Selalu melawan

Konsep domain: rahasia ferromagnetik

Mengapa ferromagnetik begitu kuat? Karena atom-atomnya membentuk domain magnetik — kawasan kecil di mana milyaran momen magnetik atom sudah berbaris searah satu sama lain secara spontan. Pada bahan yang belum dimagnetisasi, arah antar-domain berbeda-beda (acak) sehingga total momennya nol. Saat medan luar diberikan, dinding domain bergeser dan domain yang searah medan luar tumbuh — bahan pun menjadi magnet.

Bayangkan kerumunan orang yang masing-masing menghadap arah berbeda (domain acak) — secara kolektif mereka tidak “kemana-mana”. Saat ada komando (medan luar), semua berbalik menghadap arah yang sama — kerumunan kini punya arah yang jelas. Inilah magnetisasi. Beberapa bahan “ingat” komando itu (ferromagnetik → magnet permanen), sebagian langsung lupa saat komando berhenti (paramagnetik).

Pada segitiga domain di bawah, geser titik sudut untuk memutar orientasi domain. Preset menunjukkan tiga keadaan: domain acak (sebelum dimagnetisasi), sebagian berbaris (medan sedang), dan semua searah (jenuh/magnet penuh).

Kurva B-H dan saturasi

Untuk bahan ferromagnetik, respons terhadap medan luar $H$ tidak linier. Awalnya medan induksi $B$ naik cepat (domain berbaris), lalu mendatar di saturasi — saat semua domain sudah searah dan tak ada lagi yang bisa berbaris. Inilah kenapa magnet memiliki batas kekuatan.

$B = \mu_0 (H + M), \qquad M = \chi H$

Arti tiap simbol: $B$ = medan induksi total dalam bahan (tesla), $\mu_0$ = permeabilitas vakum $\approx 4\pi \times 10^{-7}$ T·m/A, $H$ = medan luar (A/m), $M$ = magnetisasi bahan (A/m), $\chi$ = susceptibilitas magnetik (tak berdimensi).

Grafik di bawah memperlihatkan kurva $B$ terhadap $H$ untuk bahan ferromagnetik. Geser slider $H$ dan amati $B$ naik curam lalu jenuh — di titik saturasi, menambah $H$ lagi hampir tidak menambah $B$ .

Susceptibilitas: membandingkan tiga kelas

Besaran kunci yang membedakan tiga kelas bahan adalah susceptibilitas magnetik $\chi$ . Nilainya menentukan seberapa kuat bahan merespons medan luar: positif berarti ditarik, negatif berarti ditolak.

Ingat saja tanda dan besarannya: ferro $\chi$ besar positif (ribuan), para $\chi$ kecil positif (sekitar $10^{-4}$ ), dia $\chi$ kecil negatif (sekitar $-10^{-5}$ ). Ferro sangat ditarik, para sedikit ditarik, dia sedikit ditolak. Tanda $\chi$ langsung memberi tahu kamu tarik atau tolak.

Grafik di bawah membandingkan magnetisasi $M$ terhadap medan $H$ untuk ketiga kelas. Geser slider $H$ dan amati garis ferromagnetik jauh lebih curam daripada dua lainnya.

Magnetisasi linier untuk para dan dia

Berbeda dari ferromagnetik yang jenuh, bahan paramagnetik dan diamagnetik merespons medan luar secara linier — magnetisasinya sebanding $H$ dengan koefisien $\chi$ yang konstan. Inilah kenapa keduanya tidak bisa menjadi magnet permanen: hilangkan medan luar, magnetisasinya langsung lenyap.

$M = \chi H$

Arti tiap simbol: $M$ = magnetisasi bahan (A/m), $\chi$ = susceptibilitas magnetik (konstan untuk para/dia, bervariasi untuk ferro), $H$ = medan luar (A/m). Untuk paramagnetik $\chi > 0$ , untuk diamagnetik $\chi < 0$ .

Grafik di bawah menunjukkan magnetisasi linier bahan paramagnetik dan diamagnetik. Geser slider $H$ dan amati garis lurus naik (para) dan turun (dia).

Sifat magnetik bahan bukan materi ujian TKA Fisika (kemagnetan di luar 6 elemen kerangka 045/H/AN/2025), tetapi sering muncul di ujian sekolah kelas 12 dan olimpiade. Tip soal lazim: (1) klasifikasi bahan dari respons tarik/tolak, (2) urutan kekuatan tarik ferro > para > (dia tolak), (3) menjelaskan fenomena domain (mengapa paku besi bisa jadi magnet permanen sedangkan aluminium tidak). Konsep ini juga relevan untuk memahami prinsip inti transformator (ferro) dan levitasi magnet (dia/superkonduktor).

Coba dulu di kertas, baru buka.

Soal. Sebatang aluminium diletakkan dalam medan luar $H = 5{,}0 \times 10^4$ A/m. Jika susceptibilitas aluminium $\chi = 2{,}1 \times 10^{-5}$ , (a) berapa magnetisasinya? (b) Termasuk kelas magnetik mana, dan bagaimana responsnya terhadap medan luar?

$M = \chi H$ . Yang diketahui: $\chi = 2{,}1 \times 10^{-5}$ , $H = 5{,}0 \times 10^4$ A/m.

$M = (2{,}1 \times 10^{-5})(5{,}0 \times 10^4) = 1{,}05$ A/m. Magnetisasinya sangat kecil dibanding medan luarnya.

Karena $\chi$ kecil dan positif, aluminium termasuk paramagnetik. Aluminium sedikit ditarik oleh medan luar, namun magnetisasinya lenyap seketika saat medan luar dimatikan — tidak bisa menjadi magnet permanen seperti ferromagnetik.

Jebakan: mengira semua logam ditarik magnet. Yang benar: hanya logam ferromagnetik (besi, nikel, kobalt, paduannya) yang ditarik kuat. Banyak logam lain seperti aluminium, tembaga, dan emas justru paramagnetik (ditarik lemah) atau diamagnetik (ditolak) — sentuhkan magnet ke aluminium, hampir tak ada reaksi.

Jebakan: mengira diamagnetik berarti “tidak bereaksi”. Yang benar: diamagnetik ditolak magnet, hanya sangat lemah (chi sekitar $-10^{-5}$ ). Responsnya nyata, hanya terlalu kecil untuk dirasai kecuali medan luar sangat kuat — itulah dasar levitasi magnet katak di medan superkonduktor.

Jebakan: menyamakan paramagnetik dan ferromagnetik karena keduanya ditarik. Yang benar: keduanya punya $\chi > 0$ , tapi magnitudonya berbeda jauh — ferro orde ribuan (bisa permanen), para orde $10^{-4}$ (hanya sementara). Hanya ferro yang memiliki domain magnetik.

Tiga kelas bahan: ferromagnetik (ditarik kuat, bisa permanen), paramagnetik (ditarik lemah, sementara), diamagnetik (ditolak lemah).
Tanda $\chi$ : positif ditarik (ferro, para), negatif ditolak (dia).
Domain magnetik = kawasan momen atom berbaris spontan; khas ferromagnetik.
Kurva B-H ferromagnetik jenuh: domain habis berbaris.
Bahan paramagnetik dan diamagnetik merespons linier: $M = \chi H$ .