Asal Usul Magnet

Oleh :
Ismayadi Ismail dan Prof. Madya Dr. Mansor Hashim (Institut Teknologi Maju (ITMA),
Universiti Putra Malaysia, 43400 Serdang, Selangor)

KEMAGNETAN adalah fenomena yang berpunca dari medan sejenis dwikutub yang hanya terbentuk apabila wujud gerakan cas elektrik. Bagaimanapun, sehingga kini kes tunggal momen magnet neutron yang tak bercas masih lagi belum difahami sepenuhnya. Menurut Prof. David Jiles dalam bukunya yang bertajuk “Introduction to magnetism and magnetic materials”, apabila medan magnet dalam suatu ruang wujud maka terdapat variasi tenaga dalam ruang tersebut; ini bermakna terdapat kecerunan tenaga yang menghasilkan suatu daya yang boleh dikesan melalui kelajuan pergerakan cas elektrik dalam medan tersebut. 

Contoh termudah kewujudan daya ini ialah putaran yang terhasil oleh jarum kompas apabila ada medan magnet. Kewujudan kemagnetan yang paling berguna kepada masyarakat moden sentiasa dikaitkan dengan arus elektrik dalam tiga kes: pertama, arus elektrik menjana medan magnet dalam ruang di sekeliling dawai yang dilaluinya. Medan ini menjadi lebih kuat jika dawai dibentuk menjadi gegelung dan bertambah kuat jika gegelung diisi dengan bahan mudah termagnet seperti besi. Medan boleh dikawal dengan mengawal arus di dalam gegelung tersebut. Aplikasi ini digunakan dalam membuat solenoid. 

Kes kedua pula menggunakan aplikasi elektromagnet di mana dawai yang dilalui oleh arus elektrik jika berada dalam medan magnet akan mengalami daya mekanik. Daya ini boleh dikawal dengan mengawal arus elektrik. Konsep ini telah banyak dipakai dalam peralatan seperti motor elektrik, mikroskop elektron, mesin pemecut zarah (superconducting collider), dan lain-lain lagi. Kes ketiga terjadi apabila gegelung dawai berada dalam magnet yang berubah-ubah di mana voltan yang berkadaran dengan kadar perubahan medan akan terhasil dalam gegelung. Voltan tersebut dikatakan terhasil dari aruhan elektromagnet. Contoh peralatan yang menggunakan konsep ini adalah seperti dinamo dan juga transformer. Ketiga-tiga fenomena di atas adalah asas sains bagi industri kuasa elektrik. 

Secara mikroskopik, sifat magnet bagi suatu bahan adalah berpunca dari momen magnet yang dikaitkan dengan elektron-elektron. Momen magnet bahan terbentuk daripada momen magnet orbit dan juga momen magnet spin elektron. Setiap elektron dalam suatu atom mempunyai momen magnet yang berasal dari dua jenis pergerakan elektron: pertama, pergerakan orbital di sekeliling nukleus dalam atom tersebut (momen magnet orbit). Sebagai cas yang bergerak, elektron tersebut boleh dianggap sebagai arus lingkaran yang kecil, dapat menjana medan magnet yang juga sangat kecil. Elektron ini mempunyai momen magnet pada paksi pusingannya ketika ia mengelilingi nukleus. Konotasi pergerakan orbital yang dimaksudkan boleh dibayangkan sama seperti bumi berpusing mengelilingi matahari. 

Pergerakan kedua yang memberikan sifat magnet sesuatu bahan adalah pergerakan putaran elektron seperti putaran gasing pada paksinya sendiri (momen magnet spin elektron). Putaran elektron seperti gasing ini juga kita boleh bayangkan seperti bumi yang berputar pada paksinya dan memberikan kesan siang dan malam. Memakai teori termudah bagi penghasilan kemagnetan dalam bahan, kedua-dua pergerakan ini bergabung dan menghasilkan medan magnet kecil dimana momen magnet bersih atom atau ion bagi sesuatu bahan adalah jumlah vektor bagi semua momen-momen magnet elektron. Oleh itu interaksi diantara momen-momen magnet tadi memberikan sifat magnet secara pukal yang kemudiannya membolehkan bahan dikategorikan sebagai diamagnet, paramagnet, feromagnet, ferimagnet dan antiferomagnet.

Rujukan pertama yang diketahui mengenai kemagnetan adalah pada kurun ke-4 sebelum masihi dari kerja kajian oleh orang china dalam buku bertajuk “Book of the Devil Valley Master”. Pada kurun ke 12 selepas masihi, pelayar-pelayar dari China menggunakan magnetit (batu loadstone) sebagai kompas untuk navigasi di laut. Pada tahun 1600, William Gilbert telah menerbitkan buku saintifik yang pertama bertajuk “De Magnete” (On Magnets) mencadangkan bahawa bumi adalah suatu magnet yang besar. Kajian fizik klasik telah cuba menerangkan fenomena kemagnetan ini dimana pada tahun 1785, Charles-Augustin de Coulomb seorang ahli fizik dari Perancis telah menerangkan hukum-hukum tarikan dan daya tolakan antara cas-cas elektrik dan antara kutub magnet. Walaupun beliau tidak dapat mencari perhubungan diantara kedua fenomena itu, namun beliau telah mencadangkan bahawa tarikan dan daya tolakan tersebut disebabkan oleh pelbagai jenis cecair. 

Hans Christian Oersted, seorang profesor di University of Copenhagen pada tahun 1820 telah membuat demonstrasi dengan memanaskan sepotong dawai dengan arus elektrik dan meletakkan kompas berdekatan dengan dawai tersebut. Beliau mendapati jarum kompas bergerak apabila setiap kali arus elektrik dihidupkan. Beliau telah melaporkan penemuan tersebut dalam bahasa latin mengenai arus dalam dawai yang menggerakkan magnet. François Jean Dominique Arago seorang ahli fizik perancis telah memenangi “Copley Medal” dari “Royal society” pada 1825 kerana menunjukkan pertalian diantara arus yang menarik serpihan besi. Pada masa yang sama, André-Marie Ampère dan François Jean Dominique Arago, telah membuat satu penemuan dimana jika jarum besi diletakkan dalam gegelung yang mempunyai arus elektrik, ia akan bertukar menjadi magnet sementara. Ampère menteorikan sentiasa wujud pergerakan arus dalam bulatan-bulatan kecil yang menghasilkan magnet seni/molekul di dalam jarum besi tersebut. 

Wilhelm Weber pada 1852 telah mengambil hipotesis Ampère dan membuat suatu teori bermatematik dengan menyatakan magnet-magnet molekul adalah magnet kekal dalam arah yang rawak jika tiada medan magnet luar yang dikenakan, manakala jika diaruhkan medan magnet maka magnet-magnet molekul ini akan termagnet kepada keadaan tepu. Teori kemagnetan seterusnya berkembang dengan penemuan oleh Micheal Faraday pada tahun 1845, beliau telah mengemukakan teori berkenaan “Kesan Faraday” atau putaran Faraday iaitu satu fenomena magneto-optik, dimana interaksi di antara cahaya dan medan magnet dalam medium sesuatu bahan. Kesan Faraday menyatakan bahawa satah getaran cahaya terkutub berputar apabila ia melalui suatu arah dalam medium yang selari dengan arah medan magnet. Kesan Faraday ini adalah uji kaji bukti pertama bahawa cahaya dan keelektromagnetan saling berkaitan. 

Bertitik tolak dari sini, asas teori sinaran elektromagnet (termasuk cahaya yang boleh dilihat) telah disiapkan oleh James Clerk Maxwell pada 1873 dimana beliau menyatakan bahawa medan elektrik boleh mengaruhkan medan magnet. Medan elektrik dan medan magnet boleh wujud sebagai gelombang dengan kelajuan cahaya. Perkara ini kemudiannya telah disahkan oleh Heinrich Hertz, seorang ahli fizik dari Jerman.

Teori kemagnetan berubah setelah penemuan elektron oleh Sir Joseph John Thompson pada 1897 dan beliau telah dianugerahkan hadiah Nobel dalam bidang fizik pada 1906. Perkembangan teori kemagnetan yang dikemukakan oleh Pieter Zeeman, seorang ahli fizik Belanda selepas itu juga telah mempengaruhi ramai saintis pada zamannya. Beliau telah mengeluarkan teori “kesan Zeeman” iaitu dalam kebanyakan atom, wujud beberapa konfigurasi elektron dengan tenaga yang sama, oleh itu peralihan antara konfigurasi-konfigurasi ini dengan yang lain-lain sejajar dengan garis spektrum tunggal. Kehadiran medan magnet memecahkan konfigurasi tersebut, kerana medan magnet berinteraksi secara berbeza dengan elektron dengan nombor kuantum yang berlainan, dengan itu mengubah sedikit tenaga mereka. Ini menyebabkan terdapat beberapa konfigurasi tenaga yang berbeza, yang membawa kepada beberapa garis spektrum yang hampir sama. Pembelahan garis spektrum kerana gerakan elektron berubah apabila dikenakan medan magnet telah membawa kepada penganugerahan hadiah nobel bagi zeeman serta Hendrik Antoon Lorentz seorang ahli fizik yang juga rakan kepada Zeeman. 

Seorang ahli fizik Perancis, Pierre Curie kemudian telah membantu lagi evolusi teori kemagnetan dengan kajian beliau menunjukkan perubahan kemagnetan bahan paramagnet terhadap suhu. Bahan feromagnet akan bertukar menjadi paramagnet jika suhu yang dikenakan terhadap bahan tersebut melebihi suatu nilai suhu, dinamakan suhu Curie. Hasil kerja Pierre Curie seterusnya telah di perjelaskan lagi oleh Paul Langevin pada 1905, menyatakan setiap molekul dalam suatu bahan mempunyai momen magnet kekal. Teori kemagnetan diperkuatkan oleh Pierre-Ernest Weiss dengan menggunakan fizik klasik dimana beliau telah membuat postulat bahawa “medan dalam” terbentuk dalam bahan feromagnet kerana setiap momen magnet mepunyai medan magnet yang memaksa momen bersebelahan selari dengannya; hasilnya seolah-olah wujud suatu medan magnet yang besar memaksa semua momen-momen menjadi selari. Oleh sebab itu momen magnet makroskopik boleh wujud sekalipun tanpa bantuan medan luar.

Hipotesis dan postulat teori kemagnetan yang dikemukakan sebelum ini adalah berdasarkan kepada pengetahuan fizik klasik. Terdapat kelemahan dalam fizik klasik dimana ia tidak dapat menjelaskan asal sebenar “medan dalam” bagi magnet-magnet molekul serta bagaimana momen magnet kekal boleh wujud dalam bahan. Kajian fizik kuantum telah berjaya menjawab persoalan yang timbul berkenaan perkara ini. Ernest Rutherford telah melaporkan, dalam atom terdapat elektron yang bergerak mengelilingi nukleus. Pada 1913, Niels Bohr pula telah menyatakan elektron dalam atom mempunyai momentum sudut terkuantum, iaitu gerakan elektron dalam orbit sama seperti arus membulat. Oleh sebab itu, momentum sudut terkuantum sentiasa disertai dengan momen magnet terkuantum. Wolfgang Pauli telah memperkenalkan unit momen magnet dimana satu unit momen magnet adalah bersamaan dengan satu magneton Bohr. Otto Stern dan Walther Gerlach pada 1922 telah membuktikan secara ujikaji kewujudan momen-momen atom dan momen-momen tersebut adalah terkuantum. 

Compton pula telah mengemukakan teori iaitu elektron memiliki spin pada paksinya sendiri dan menghasilkan momen magnet spin. Penggunaan teori kuantum oleh Dirac pada 1928 telah membantu memperjelaskan lagi kewujudan spin intrinsik dan momen magnet elektron. Seterusnya Paul Adrien Maurice Dirac dan Werner Heisenberg telah berjaya menunjukkan secara teori kewujudan “daya tukarganti” yang menjelaskan bentuk dan magnitud medan dalam yang dikemukakan oleh Weiss terdahulu. Louis Eugène Félix Néel pada tahun 1936 telah menerbitkan teori kewujudan keantiferomagnetan dan juga keferimagnetan. Bermula pada tahun 1945 sehingga kini, kemajuan pesat daripada kajian pepejal-pepejal magnet menggunakan resonans magnet dan pembelauan neutron masih digunakan.

Sumbangan saintis terdahulu telah banyak membantu kita dalam memahami ilmu sains kemagnetan dan bidang ini telah banyak memberikan manafaat teknologi dalam kehidupan manusia. Walaubagaimanapun, masih terdapat banyak ruang lagi bagi menerangkan asal usul bidang kemagnetan. Misalnya terdapat teori elektron tak bertempat bagi asal usul kemagnetan ini tidak dibincang dalam makalah ini. Kajian lanjut telah dijalankan diseluruh dunia dan juga Malaysia khasnya di Institut Teknologi Maju (ITMA), Universiti Putra Malaysia. 

Sumber: majalahsains