Hvorfor er jern den bedste kerne til en elektromagnet?

Jern betragtes bredt som den bedste kerne for en elektromagnet, men hvorfor? Det er ikke det eneste magnetiske materiale, og der er masser af legeringer som stål, som du måske forventer at blive brugt mere i den moderne tidsalder. At forstå, hvorfor det er mere sandsynligt, at du ser en jernkerne-elektromagnet end en, der bruger et andet materiale, giver dig en kort introduktion til mange nøgler punkter om videnskaben om elektromagnetisme samt en struktureret tilgang til at forklare, hvilke materialer der mest bruges til fremstilling elektromagneter. Svaret kommer kort sagt ned på materialets "permeabilitet" for magnetfelter.

Oprindelsen af ​​magnetisme i materialer er lidt mere kompleks, end du måske tror. Mens de fleste mennesker ved, at ting som stangmagneter har "nord" og "syd" poler, og at modsatte poler tiltrækker og matchende poler frastøder, er kraftens oprindelse ikke så bredt forstået. Magnetisme stammer i sidste ende fra bevægelsen af ​​ladede partikler.

Elektroner “kredser” om kernen i værtsatomet lidt som hvordan planeter kredser om solen, og elektroner bærer en negativ elektrisk ladning. Bevægelsen af ​​den ladede partikel - du kan tænke på den som en cirkulær sløjfe, selvom den ikke rigtig er så enkel - fører til oprettelse af et magnetfelt. Dette felt genereres kun af en elektron - en lille partikel med en masse på omkring en milliarddel af en milliardedel af en milliarddel gram - så det bør ikke overraske dig, at feltet fra en enkelt elektron ikke er det så stor. Imidlertid påvirker det elektroner i nærliggende atomer og fører til, at deres felter tilpasser sig den oprindelige. Så påvirker feltet fra disse andre elektroner, de påvirker igen andre og så videre. Slutresultatet er oprettelsen af ​​et lille “domæne” af elektroner, hvor alle magnetfelter produceret af dem er justeret.

Enhver makroskopisk bit materiale - med andre ord en prøve, der er stor nok til at du kan se og interagere med - har masser af plads til mange domæner. Retningen af ​​marken i hver enkelt er faktisk tilfældig, så de forskellige domæner har tendens til at annullere hinanden. Den makroskopiske prøve af materiale vil derfor ikke have et nettomagnetisk felt. Men hvis du udsætter materialet for et andet magnetfelt, får dette alle domænerne til at justere sig med det, og så vil de alle også være justeret med hinanden. Når dette er sket, vil den makroskopiske prøve af materialet have et magnetfelt, fordi alle de små felter "arbejder sammen" for at sige det.

I hvilket omfang et materiale opretholder denne justering af domæner, efter at det eksterne felt er fjernet, bestemmer hvilket materialer, du kan kalde "magnetisk". Ferromagnetiske materialer er dem, der opretholder denne tilpasning, efter at det eksterne felt har blevet fjernet. Som du måske har regnet ud, hvis du kender dit periodiske system, er dette navn taget fra jern (Fe), og jern er det mest kendte ferromagnetiske materiale.

Beskrivelsen ovenfor understreger den bevægelse elektrisk afgifter producerer magnetisk felter. Denne forbindelse mellem de to kræfter er afgørende for forståelsen af ​​elektromagneter. På samme måde som bevægelsen af ​​en elektron omkring kernen i et atom frembringer et magnetfelt, frembringer bevægelsen af ​​elektroner som en del af en elektrisk strøm også et magnetfelt. Dette blev opdaget af Hans Christian Oersted i 1820, da han bemærkede, at nålen på et kompas blev afbøjet af strømmen, der strømmer gennem en ledning i nærheden. For en lige ledningslængde danner magnetfeltlinjerne koncentriske cirkler, der omgiver ledningen.

Elektromagneter udnytter dette fænomen ved hjælp af en trådspole. Når strømmen strømmer gennem spolen, tilføjes magnetfeltet, der genereres af hver sløjfe, til feltet genereret af de andre sløjfer, der producerer et definitivt “nord” og “syd” (eller positivt og negativt) ende. Dette er det grundlæggende princip, der understøtter elektromagneter.

Dette alene ville være nok til at producere magnetisme, men elektromagneter forbedres med tilføjelsen af ​​en "kerne". Dette er et materiale at ledningen er viklet rundt, og hvis det er et magnetisk materiale, vil dens egenskaber bidrage til det felt, der produceres af spolen af tråd. Feltet produceret af spolen justerer de magnetiske domæner i materialet, så både spolen og den fysiske magnetiske kerne arbejder sammen for at producere et stærkere felt end begge kunne alene.

Spørgsmålet om, hvilket metal der er egnet til elektromagnetkerner, besvares af materialets "relative permeabilitet". I sammenhæng med elektromagnetisme beskriver materialets permeabilitet materialets evne til at danne magnetfelter. Hvis et materiale har en højere permeabilitet, magnetiserer det stærkere som reaktion på et eksternt magnetfelt.

Den "relative" i udtrykket sætter en standard til sammenligning af permeabiliteten af ​​forskellige materialer. Permeabiliteten for ledig plads tildeles symbolet μ₀ og bruges i mange ligninger, der beskæftiger sig med magnetisme. Det er en konstant med værdien μ₀ = 4π × 10⁻⁷ henries pr. meter. Den relative permeabilitet (μ_r) af et materiale defineres ved:

μ_r = μ / μ₀

Hvor μ er permeabiliteten af ​​det pågældende stof. Den relative permeabilitet har ingen enheder; det er bare et rent tal. Så hvis noget overhovedet ikke reagerer på et magnetfelt, har det en relativ permeabilitet på et, hvilket betyder, at det reagerer på samme måde som et fuldstændigt vakuum, med andre ord "frit rum." Jo højere den relative permeabilitet, jo større er magnetisk respons af materiale.

Den bedste kerne til en elektromagnet er derfor materialet med den højeste relative permeabilitet. Ethvert materiale med en relativ permeabilitet højere end en vil øge styrken af ​​en elektromagnet, når den bruges som en kerne. Nikkel er et eksempel på et ferromagnetisk materiale, og det har en relativ permeabilitet på mellem 100 og 600. Hvis du brugte en nikkelkerne til en elektromagnet, ville styrken af ​​det producerede felt blive drastisk forbedret.

Imidlertid har jern en relativ permeabilitet på 5.000, når det er 99,8 procent rent, og den relative permeabilitet af blødt jern med 99,95 procent renhed er en massiv 200.000. Denne enorme relative permeabilitet er grunden til, at jern er den bedste kerne for en elektromagnet. Der er mange overvejelser, når man vælger et materiale til en elektromagnetkerne, herunder sandsynligheden for spild som følge af virvelstrømme, men generelt er jern billigt og effektivt, så det er på en eller anden måde inkorporeret i kernematerialet, eller kernen er lavet af rent jern.

Mange materialer kan fungere som elektromagnetkerner, men nogle almindelige er jern, amorft stål, jernholdigt keramik (keramiske forbindelser, der er fremstillet med jernoxid), siliciumstål og jernbaseret amorf tape. I princippet kan ethvert materiale med en høj relativ permeabilitet anvendes som en elektromagnetkerne. Der er nogle materialer, der er lavet specifikt til at tjene som kerner til elektromagneter, inklusive permalloy, som har en relativ permeabilitet på 8.000. Et andet eksempel er den jernbaserede Nanoperm, som har en relativ permeabilitet på 80.000.

Disse tal er imponerende (og begge overstiger permeabiliteten af ​​let urent jern), men nøglen til jernkernernes dominans er virkelig en blanding af deres permeabilitet og deres overkommelighed.