Желязото се смята за най-доброто ядро за електромагнит, но защо? Това не е единственият магнитен материал и има много сплави като стомана, които може да очаквате да бъдат използвани повече в съвременната епоха. Разбирането защо е по-вероятно да видите електромагнит с желязна сърцевина, отколкото такъв, който използва друг материал, ви дава кратко въведение в много ключови точки относно науката за електромагнетизма, както и структуриран подход за обяснение кои материали се използват най-вече за направата електромагнити. Накратко отговорът се свежда до "пропускливостта" на материала за магнитни полета.
Разбиране на магнетизма и домейните
Произходът на магнетизма в материалите е малко по-сложен, отколкото си мислите. Докато повечето хора знаят, че неща като пръчковидните магнити имат "север" и "юг" полюси и че противоположните полюси привличат и съвпадащите полюси се отблъскват, произходът на силата не е толкова широко разбран. В крайна сметка магнетизмът произтича от движението на заредени частици.
Електроните "обикалят" около ядрото на гостоприемния атом, подобно на това как планетите обикалят около Слънцето, а електроните носят отрицателен електрически заряд. Движението на заредената частица - можете да я възприемете като кръгъл контур, въпреки че всъщност не е толкова просто - води до създаването на магнитно поле. Това поле се генерира само от електрон - малка частица с маса около милиардна част от милиардна част от милиардна част от грам - така че не трябва да ви изненадва, че полето от един електрон не е толкова голям. Той обаче влияе на електроните в съседните атоми и води до техните полета, които се изравняват с оригиналния. Тогава полето от тях влияе върху други електрони, те от своя страна влияят върху другите и т.н. Крайният резултат е създаването на малък „домейн“ на електроните, където всички магнитни полета, произведени от тях, са подравнени.
Всеки макроскопичен бит материал - с други думи, достатъчно голяма проба, за да можете да я видите и да си взаимодействате - има достатъчно място за много домейни. Посоката на полето във всеки от тях е ефективно произволна, така че различните домейни са склонни да се отменят взаимно. Следователно макроскопичната проба от материал няма да има нетно магнитно поле. Ако обаче изложите материала на друго магнитно поле, това води до изравняване на всички домейни с него и така всички те също ще бъдат подравнени помежду си. Когато това се случи, макроскопичната проба от материала ще има магнитно поле, тъй като всички малки полета "работят заедно", така да се каже.
Степента, до която даден материал поддържа това подравняване на домейни след премахване на външното поле, определя кой материали, които можете да наречете „магнитни“. Феромагнитните материали са тези, които поддържат това подравняване след външното поле бяха премахнати. Както може би сте разбрали, ако знаете периодичната си таблица, това име е взето от желязо (Fe), а желязото е най-известният феромагнитен материал.
Как работят електромагнитите?
Описанието по-горе подчертава това движение електрически такси произвеждат магнитни полета. Тази връзка между двете сили е решаваща за разбирането на електромагнитите. По същия начин, както движението на електрон около ядрото на атома създава магнитно поле, движението на електрони като част от електрически ток също произвежда магнитно поле. Това е открито от Ханс Кристиан Ерстед през 1820 г., когато той забелязва, че иглата на компас се отклонява от тока, протичащ през близкия проводник. За права дължина на проводника линиите на магнитното поле образуват концентрични кръгове около жицата.
Електромагнитите експлоатират това явление, като използват жична намотка. Тъй като токът протича през намотката, магнитното поле, генерирано от всеки контур, се добавя към полето генерирани от другите цикли, произвеждащи окончателно „север“ и „юг“ (или положителни и отрицателни) край. Това е основният принцип, който лежи в основата на електромагнитите.
Само това би било достатъчно, за да се получи магнетизъм, но електромагнитите се подобряват с добавянето на „сърцевина“. Това е материал че проводникът е увит и ако е магнитен материал, неговите свойства ще допринесат за полето, получено от намотката на тел. Полето, получено от намотката, подравнява магнитните домейни в материала, така че както намотката, така и физическото магнитно ядро работят заедно, за да създадат по-силно поле, отколкото би могло да бъде едно от двете.
Избор на ядро и относителна пропускливост
На въпроса кой метал е подходящ за електромагнитни сърцевини се отговаря чрез „относителната пропускливост“ на материала. В контекста на електромагнетизма пропускливостта на материала описва способността на материала да образува магнитни полета. Ако материалът има по-висока пропускливост, тогава той ще намагнетизира по-силно в отговор на външно магнитно поле.
„Роднината“ в термина задава стандарт за сравнение на пропускливостта на различни материали. Символът дава пропускливостта на свободното пространство μ0 и се използва в много уравнения, занимаващи се с магнетизъм. Това е константа със стойността μ0 = 4π × 10−7 henries на метър. Относителната пропускливост (μr) на материал се определя от:
μr = μ / μ0
Където μ е пропускливостта на въпросното вещество. Относителната пропускливост няма единици; това е просто чисто число. Така че, ако нещо изобщо не реагира на магнитно поле, то има относителна пропускливост на едно, което означава, че реагира по същия начин като пълен вакуум, с други думи, „свободно пространство“. Колкото по-висока е относителната пропускливост, толкова по-голяма е магнитната реакция на материал.
Кое е най-доброто ядро за електромагнит?
Следователно най-доброто ядро за електромагнит е материалът с най-висока относителна пропускливост. Всеки материал с относителна пропускливост по-висока от една ще увеличи силата на електромагнита, когато се използва като сърцевина. Никелът е пример за феромагнитен материал и има относителна пропускливост между 100 и 600. Ако сте използвали никелова сърцевина за електромагнит, тогава силата на полученото поле ще бъде драстично подобрена.
Въпреки това желязото има относителна пропускливост 5000, когато е чисто 99,8%, а относителната пропускливост на мекото желязо с чистота 99,95% е огромните 200 000. Тази огромна относителна пропускливост е причината желязото да е най-доброто ядро за електромагнит. Има много съображения при избора на материал за електромагнитна сърцевина, включително вероятността от загуби в резултат на вихрови токове, но най-общо казано, желязото е евтино и ефективно, така че или е по някакъв начин включено в основния материал, или сърцевината е направена от чисто желязо.
Кои материали се използват най-вече за направата на електромагнитни сърцевини?
Много материали могат да работят като електромагнитни сърцевини, но някои често срещани са желязо, аморфна стомана, черни метали керамика (керамични съединения, направени с железен оксид), силициева стомана и аморфна лента на основата на желязо. По принцип всеки материал с висока относителна пропускливост може да се използва като сърцевина на електромагнит. Има някои материали, които са направени специално, за да служат като ядра за електромагнитите, включително пермалой, който има относителна пропускливост 8000. Друг пример е Nanoperm на основата на желязо, който има относителна пропускливост от 80 000.
Тези цифри са впечатляващи (и двете надвишават пропускливостта на леко нечистото желязо), но ключът към господството на железните ядра наистина е смесица от тяхната пропускливост и тяхната достъпност.