Γιατί ο σίδηρος είναι ο καλύτερος πυρήνας για έναν ηλεκτρομαγνήτη;

Ο σίδηρος θεωρείται ευρέως ως ο καλύτερος πυρήνας για έναν ηλεκτρομαγνήτη, αλλά γιατί; Δεν είναι το μόνο μαγνητικό υλικό και υπάρχουν πολλά κράματα όπως ο χάλυβας που θα περίμενε κανείς να χρησιμοποιηθεί περισσότερο στη σύγχρονη εποχή. Η κατανόηση του λόγου για τον οποίο είναι πιο πιθανό να δείτε έναν ηλεκτρομαγνήτη πυρήνα σιδήρου από έναν που χρησιμοποιεί άλλο υλικό, σας δίνει μια σύντομη εισαγωγή σε πολλά κλειδιά επισημαίνει την επιστήμη του ηλεκτρομαγνητισμού, καθώς και μια δομημένη προσέγγιση για να εξηγήσει ποια υλικά χρησιμοποιούνται κυρίως για την κατασκευή ηλεκτρομαγνήτες. Εν συντομία, η απάντηση έρχεται στην «διαπερατότητα» του υλικού στα μαγνητικά πεδία.

Η προέλευση του μαγνητισμού στα υλικά είναι λίγο πιο περίπλοκη από ό, τι νομίζετε. Ενώ οι περισσότεροι άνθρωποι γνωρίζουν ότι πράγματα όπως οι μαγνήτες ράβδων έχουν πόλους «βόρεια» και «νότος» και ότι οι αντίθετοι πόλοι προσελκύουν και ταιριάζουν πόλους αποκρούουν, η προέλευση της δύναμης δεν είναι τόσο ευρέως κατανοητή. Ο μαγνητισμός τελικά προέρχεται από την κίνηση φορτισμένων σωματιδίων.

Τα ηλεκτρόνια «περιστρέφουν» τον πυρήνα του ατόμου ξενιστή σαν τον τρόπο που οι πλανήτες περιστρέφονται γύρω από τον Ήλιο και τα ηλεκτρόνια φέρουν αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο. Η κίνηση του φορτισμένου σωματιδίου - μπορείτε να το θεωρήσετε ως κυκλικό βρόχο αν και δεν είναι τόσο απλό - οδηγεί στη δημιουργία ενός μαγνητικού πεδίου. Αυτό το πεδίο παράγεται μόνο από ένα ηλεκτρόνιο - ένα μικρό σωματίδιο με μάζα περίπου ένα δισεκατομμυριοστό του α δισεκατομμυριοστό του δισεκατομμυρίου του γραμμαρίου - οπότε δεν πρέπει να σας εκπλήσσει ότι το πεδίο από ένα μόνο ηλεκτρόνιο δεν είναι τόσο μεγάλο. Ωστόσο, επηρεάζει τα ηλεκτρόνια στα γειτονικά άτομα και οδηγεί στα πεδία τους ευθυγραμμισμένα με το αρχικό. Στη συνέχεια, το πεδίο από αυτά επηρεάζει άλλα ηλεκτρόνια, με τη σειρά του επηρεάζει άλλα και ούτω καθεξής. Το τελικό αποτέλεσμα είναι η δημιουργία ενός μικρού «πεδίου» ηλεκτρονίων όπου όλα τα μαγνητικά πεδία που παράγονται από αυτά είναι ευθυγραμμισμένα.

Οποιοδήποτε μακροσκοπικό κομμάτι υλικού - με άλλα λόγια, ένα δείγμα αρκετά μεγάλο για να μπορείτε να το δείτε και να αλληλεπιδράσετε - έχει άφθονο χώρο για πολλά πεδία. Η κατεύθυνση του πεδίου σε κάθε ένα είναι ουσιαστικά τυχαία, έτσι οι διάφοροι τομείς τείνουν να ακυρώνονται μεταξύ τους. Το μακροσκοπικό δείγμα υλικού, επομένως, δεν θα έχει καθαρό μαγνητικό πεδίο. Ωστόσο, εάν εκθέσετε το υλικό σε άλλο μαγνητικό πεδίο, αυτό προκαλεί την ευθυγράμμιση όλων των τομέων με αυτό και έτσι όλα θα ευθυγραμμιστούν μεταξύ τους. Όταν συμβεί αυτό, το μακροσκοπικό δείγμα του υλικού θα έχει μαγνητικό πεδίο, επειδή όλα τα μικρά πεδία «δουλεύουν μαζί».

Ο βαθμός στον οποίο ένα υλικό διατηρεί αυτήν την ευθυγράμμιση των τομέων μετά την αφαίρεση του εξωτερικού πεδίου καθορίζει ποιο υλικά που μπορείτε να ονομάσετε «μαγνητικά». Τα σιδηρομαγνητικά υλικά είναι αυτά που διατηρούν αυτήν την ευθυγράμμιση μετά το εξωτερικό πεδίο αφαιρέθηκε. Όπως ίσως έχετε επεξεργαστεί αν γνωρίζετε τον περιοδικό σας πίνακα, αυτό το όνομα προέρχεται από σίδηρο (Fe) και ο σίδηρος είναι το πιο γνωστό σιδηρομαγνητικό υλικό.

Η παραπάνω περιγραφή τονίζει ότι κινείται ηλεκτρικός χρεώσεις παράγουν μαγνητικός πεδία. Αυτή η σύνδεση μεταξύ των δύο δυνάμεων είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση των ηλεκτρομαγνητών. Με τον ίδιο τρόπο όπως η κίνηση ενός ηλεκτρονίου γύρω από τον πυρήνα ενός ατόμου παράγει ένα μαγνητικό πεδίο, η κίνηση των ηλεκτρονίων ως μέρος ενός ηλεκτρικού ρεύματος παράγει επίσης ένα μαγνητικό πεδίο. Αυτό ανακαλύφθηκε από τον Hans Christian Oersted το 1820, όταν παρατήρησε ότι η βελόνα μιας πυξίδας εκτρέπεται από το ρεύμα που ρέει μέσα από ένα κοντινό καλώδιο. Για ίσιο μήκος σύρματος, οι γραμμές μαγνητικού πεδίου σχηματίζουν ομόκεντρους κύκλους που περιβάλλουν το σύρμα.

Οι ηλεκτρομαγνήτες εκμεταλλεύονται αυτό το φαινόμενο χρησιμοποιώντας ένα πηνίο σύρματος. Καθώς το ρεύμα ρέει μέσω του πηνίου, το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από κάθε βρόχο προσθέτει στο πεδίο δημιουργούνται από τους άλλους βρόχους, παράγοντας ένα οριστικό «βόρειο» και «νότο» (ή θετικό και αρνητικό) τέλος. Αυτή είναι η βασική αρχή που υποστηρίζει τους ηλεκτρομαγνήτες.

Αυτό από μόνο του θα ήταν αρκετό για να παράγει μαγνητισμό, αλλά οι ηλεκτρομαγνήτες βελτιώνονται με την προσθήκη ενός «πυρήνα». Αυτό είναι ένα υλικό ότι το καλώδιο είναι τυλιγμένο, και εάν είναι μαγνητικό υλικό, οι ιδιότητές του θα συμβάλουν στο πεδίο που παράγεται από το πηνίο του σύρμα. Το πεδίο που παράγεται από το πηνίο ευθυγραμμίζει τα μαγνητικά πεδία στο υλικό, έτσι τόσο το πηνίο όσο και ο φυσικός μαγνητικός πυρήνας συνεργάζονται για να παράγουν ένα ισχυρότερο πεδίο από ότι θα μπορούσαν να είναι μόνοι.

Το ερώτημα ποιο μέταλλο είναι κατάλληλο για πυρήνες ηλεκτρομαγνήτη απαντάται από τη «σχετική διαπερατότητα» του υλικού. Στο πλαίσιο του ηλεκτρομαγνητισμού, η διαπερατότητα του υλικού περιγράφει την ικανότητα του υλικού να σχηματίζει μαγνητικά πεδία. Εάν ένα υλικό έχει μεγαλύτερη διαπερατότητα, τότε θα μαγνητιστεί πιο έντονα σε απόκριση σε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.

Ο «σχετικός» στον όρο θέτει ένα πρότυπο για σύγκριση της διαπερατότητας διαφορετικών υλικών. Στην διαπερατότητα του ελεύθερου χώρου δίνεται το σύμβολο μ₀ και χρησιμοποιείται σε πολλές εξισώσεις που ασχολούνται με τον μαγνητισμό. Είναι μια σταθερά με την τιμή μ₀ = 4π × 10⁻⁷ henries ανά μέτρο. Η σχετική διαπερατότητα (μ_ρ) ενός υλικού ορίζεται από:

μ_ρ = μ / μ₀

Οπου μ είναι η διαπερατότητα της εν λόγω ουσίας. Η σχετική διαπερατότητα δεν έχει μονάδες. είναι απλώς ένας καθαρός αριθμός. Έτσι, εάν κάτι δεν ανταποκρίνεται καθόλου σε ένα μαγνητικό πεδίο, έχει σχετική διαπερατότητα ενός, πράγμα που σημαίνει ότι αποκρίνεται με τον ίδιο τρόπο ως πλήρες κενό, με άλλα λόγια, «ελεύθερος χώρος». Όσο υψηλότερη είναι η σχετική διαπερατότητα, τόσο μεγαλύτερη είναι η μαγνητική απόκριση του υλικό.

Ο καλύτερος πυρήνας για έναν ηλεκτρομαγνήτη είναι επομένως το υλικό με την υψηλότερη σχετική διαπερατότητα. Οποιοδήποτε υλικό με σχετική διαπερατότητα μεγαλύτερη από ένα θα αυξήσει την ισχύ ενός ηλεκτρομαγνήτη όταν χρησιμοποιείται ως πυρήνας. Το νικέλιο είναι ένα παράδειγμα σιδηρομαγνητικού υλικού και έχει σχετική διαπερατότητα μεταξύ 100 και 600. Εάν χρησιμοποιούσατε έναν πυρήνα νικελίου για έναν ηλεκτρομαγνήτη, τότε η ισχύς του παραγόμενου πεδίου θα βελτιωνόταν δραστικά.

Ωστόσο, ο σίδηρος έχει σχετική διαπερατότητα 5.000 όταν είναι 99.8 τοις εκατό καθαρός, και η σχετική διαπερατότητα του μαλακού σιδήρου με 99.95 τοις εκατό καθαρότητα είναι ένα τεράστιο 200.000. Αυτή η τεράστια σχετική διαπερατότητα είναι γιατί ο σίδηρος είναι ο καλύτερος πυρήνας για έναν ηλεκτρομαγνήτη. Υπάρχουν πολλές εκτιμήσεις κατά την επιλογή ενός υλικού για έναν πυρήνα ηλεκτρομαγνήτη, συμπεριλαμβανομένης της πιθανότητας σπατάλης που προκύπτει από τα ρεύματα ριωδών, αλλά σε γενικές γραμμές, ο σίδηρος είναι φθηνός και αποτελεσματικός, οπότε είτε ενσωματώνεται κάπως στο υλικό του πυρήνα είτε ο πυρήνας είναι κατασκευασμένος από καθαρό σίδερο.

Πολλά υλικά μπορούν να λειτουργήσουν ως πυρήνες ηλεκτρομαγνητών, αλλά μερικά κοινά είναι ο σίδηρος, ο άμορφος χάλυβας, ο σίδηρος κεραμικά (κεραμικές ενώσεις που κατασκευάζονται με οξείδιο του σιδήρου), χάλυβας πυριτίου και άμορφη ταινία με βάση το σίδηρο. Κατ 'αρχήν, οποιοδήποτε υλικό με υψηλή σχετική διαπερατότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πυρήνας ηλεκτρομαγνήτη. Υπάρχουν ορισμένα υλικά που έχουν κατασκευαστεί ειδικά για να χρησιμεύσουν ως πυρήνες για ηλεκτρομαγνήτες, συμπεριλαμβανομένου του permalloy, το οποίο έχει σχετική διαπερατότητα 8.000. Ένα άλλο παράδειγμα είναι το Nanoperm με βάση το σίδηρο, το οποίο έχει σχετική διαπερατότητα 80.000.

Αυτοί οι αριθμοί είναι εντυπωσιακοί (και και οι δύο υπερβαίνουν τη διαπερατότητα ελαφρώς ακάθαρτου σιδήρου), αλλά το κλειδί για την κυριαρχία των πυρήνων σιδήρου είναι πραγματικά ένα μείγμα της διαπερατότητάς τους και της προσιτότητάς τους.