Železo je obecně považováno za nejlepší jádro pro elektromagnet, ale proč? Není to jediný magnetický materiál a existuje spousta slitin, jako je ocel, u nichž byste očekávali, že se budou v moderní době více používat. Pochopení toho, proč je pravděpodobnější, že uvidíte elektromagnet s železným jádrem, než ten, který používá jiný materiál, vám poskytne krátký úvod k mnoha klíčům body o vědě elektromagnetismu, stejně jako strukturovaný přístup k vysvětlení, které materiály se většinou používají k výrobě elektromagnety. Odpověď zkrátka spočívá v „propustnosti“ materiálu pro magnetická pole.
Porozumění magnetismu a doménám
Původ magnetismu v materiálech je trochu složitější, než si myslíte. Zatímco většina lidí ví, že věci jako tyčové magnety mají „severní“ a „jižní“ póly a že protilehlé póly přitahují a odpovídající póly odpuzují, původ síly není tak široce chápán. Magnetismus nakonec pochází z pohybu nabitých částic.
Elektrony „obíhají“ jádrem atomu hostitele trochu jako to, jak planety obíhají kolem Slunce, a elektrony nesou záporný elektrický náboj. Pohyb nabité částice - můžete si ji představit jako kruhovou smyčku, i když to není úplně tak jednoduché - vede k vytvoření magnetického pole. Toto pole generuje pouze elektron - drobná částice o hmotnosti asi miliardtiny a miliardtina miliardtiny gramu - takže by vás nemělo překvapovat, že pole z jediného elektronu není tak velký. Ovlivňuje však elektrony v sousedních atomech a vede k tomu, že se jejich pole vyrovnávají s původními. Pak pole z těchto ovlivňuje jiné elektrony, ony zase ostatní a tak dále. Konečným výsledkem je vytvoření malé „domény“ elektronů, kde jsou všechna magnetická pole, která produkují, vyrovnána.
Jakýkoli makroskopický kousek materiálu - jinými slovy, dostatečně velký vzorek, který můžete vidět a komunikovat s ním - má spoustu prostoru pro mnoho domén. Směr pole v každém z nich je skutečně náhodný, takže různé domény mají tendenci se navzájem rušit. Makroskopický vzorek materiálu proto nebude mít čisté magnetické pole. Pokud však vystavíte materiál jinému magnetickému poli, způsobí to zarovnání všech domén s ním, a tak budou všechny také vzájemně zarovnány. Když k tomu dojde, makroskopický vzorek materiálu bude mít magnetické pole, protože všechna malá pole takříkajíc „spolupracují“.
Do jaké míry materiál udržuje toto zarovnání domén po odstranění externího pole, určuje které materiály, které můžete nazvat „magnetické“. Feromagnetické materiály jsou takové, které udržují toto vyrovnání poté, co má vnější pole byl odstraněn. Jak jste možná zjistili, pokud znáte svoji periodickou tabulku, tento název je odvozen od železa (Fe) a železo je nejznámější feromagnetický materiál.
Jak fungují elektromagnety?
Výše uvedený popis zdůrazňuje, že se stěhuje elektrický poplatky produkují magnetický pole. Tato vazba mezi těmito dvěma silami je zásadní pro pochopení elektromagnetů. Stejně jako pohyb elektronu kolem jádra atomu vytváří magnetické pole, vytváří pohyb elektronů jako součást elektrického proudu také magnetické pole. To objevil Hans Christian Oersted v roce 1820, když si všiml, že jehla kompasu byla vychýlena proudem protékajícím nedalekým drátem. Pro přímou délku drátu tvoří linie magnetického pole soustředné kruhy obklopující drát.
Elektromagnety tento jev využívají pomocí drátové cívky. Jak proud protéká cívkou, magnetické pole generované každou smyčkou se přidává k poli generované jinými smyčkami, vytvářející definitivní „sever“ a „jih“ (nebo pozitivní a negativní) konec. Toto je základní princip, o který se opírají elektromagnety.
To samo o sobě by k výrobě magnetismu stačilo, ale elektromagnety jsou vylepšeny přidáním „jádra“. Toto je materiál že je drát omotán kolem, a pokud se jedná o magnetický materiál, jeho vlastnosti přispějí k poli vytvářenému cívkou drát. Pole produkované cívkou zarovnává magnetické domény v materiálu, takže jak cívka, tak fyzické magnetické jádro spolupracují a vytvářejí silnější pole, než by bylo možné.
Výběr základní a relativní propustnosti
Na otázku, který kov je vhodný pro jádra elektromagnetů, odpovídá „relativní propustnost“ materiálu. V kontextu elektromagnetismu popisuje propustnost materiálu schopnost materiálu vytvářet magnetická pole. Pokud má materiál vyšší propustnost, bude magnetizovat silněji v reakci na vnější magnetické pole.
„Relativní“ v tomto pojmu stanoví standard pro srovnání propustnosti různých materiálů. Propustnost volného prostoru je dána symbolem μ0 a používá se v mnoha rovnicích zabývajících se magnetismem. Je to konstanta s hodnotou μ0 = 4π × 10−7 henries na metr. Relativní propustnost (μr) materiálu je definován:
μr = μ / μ0
Kde μ je propustnost dané látky. Relativní propustnost nemá žádné jednotky; je to jen čisté číslo. Takže pokud něco vůbec nereaguje na magnetické pole, má relativní permeabilitu jednoho, což znamená, že reaguje stejným způsobem jako úplné vakuum, jinými slovy, „volný prostor“. Čím vyšší je relativní propustnost, tím větší je magnetická odezva materiál.
Jaké je nejlepší jádro pro elektromagnet?
Nejvhodnějším jádrem pro elektromagnet je tedy materiál s nejvyšší relativní propustností. Jakýkoli materiál s relativní propustností vyšší než jedna zvýší sílu elektromagnetu, pokud se použije jako jádro. Nikl je příkladem feromagnetického materiálu a má relativní propustnost mezi 100 a 600. Pokud byste pro elektromagnet použili niklové jádro, pak by se síla produkovaného pole drasticky zlepšila.
Železo má však relativní permeabilitu 5 000, když je čisté 99,8 procent, a relativní permeabilita měkkého železa s čistotou 99,95 procent je obrovských 200 000. Tato obrovská relativní propustnost je důvodem, proč je železo nejlepším jádrem pro elektromagnet. Při výběru materiálu pro elektromagnetické jádro je třeba vzít v úvahu mnoho faktorů, včetně pravděpodobnosti plýtvání v důsledku vířivých proudů, ale obecně řečeno, železo je levné a efektivní, takže je buď nějak zabudováno do materiálu jádra, nebo je jádro vyrobeno z čistého železa.
Které materiály se nejčastěji používají k výrobě elektromagnetických jader?
Mnoho materiálů může fungovat jako jádra elektromagnetu, ale některé běžné jsou železo, amorfní ocel, železo keramika (keramické směsi vyrobené z oxidu železa), křemíková ocel a amorfní páska na bázi železa. V zásadě lze jako elektromagnetické jádro použít jakýkoli materiál s vysokou relativní propustností. Existuje několik materiálů, které byly speciálně vyrobeny, aby sloužily jako jádra pro elektromagnety, včetně permalloy, která má relativní propustnost 8 000. Dalším příkladem je Nanoperm na bázi železa, který má relativní propustnost 80 000.
Tato čísla jsou působivá (a obě překračují propustnost mírně znečištěného železa), ale klíčem k dominanci železných jader je skutečně směs jejich propustnosti a cenové dostupnosti.