Rauda peetakse laialdaselt elektromagneti parimaks südamikuks, kuid miks? See pole ainus magnetiline materjal ja on palju selliseid sulameid nagu teras, mida võite arvata, et neid kasutatakse tänapäeval rohkem. Mõistmine, miks näete tõenäolisemalt rauast südamikuga elektromagnetit kui teine materjal, annab teile lühikese sissejuhatuse paljudesse võtmetesse punkte elektromagnetismi teaduse kohta, samuti struktureeritud lähenemisviisi selgitamiseks, milliseid materjale valmistamiseks enamasti kasutatakse elektromagnetid. Lühidalt, vastus taandub materjali „läbilaskvusele“ magnetväljadele.
Magnetismi ja domeenide mõistmine
Materjalide magnetismi päritolu on veidi keerulisem, kui võite arvata. Kuigi enamik inimesi teab, et näiteks vardamagnetitel on põhja- ja lõunapoolus ning et vastupidised poolused tõmbavad ligi ja sobivad poolused tõrjuvad, pole jõu päritolu nii laialt mõistetav. Magnetism tuleneb lõppkokkuvõttes laetud osakeste liikumisest.
Elektronid "tiirlevad" peremeesatomi tuuma ümber nii, nagu planeedid tiirlevad ümber Päikese ja elektronid kannavad negatiivset elektrilaengut. Laetud osakese liikumine - võite seda pidada ümmarguseks silmuseks, ehkki see pole tegelikult nii lihtne - viib magnetvälja tekkimiseni. Seda välja genereerib ainult elektron - pisike osake massiga umbes miljardik a miljardik miljardik grammi - nii et see ei tohiks teid üllatada, et ühe elektroni väli pole nii suur. Kuid see mõjutab naaber aatomite elektrone ja viib nende väljad joonduma algsega. Siis mõjutab nende väli muudel elektronidel, need omakorda teistel jne. Lõpptulemus on elektronide väikese "domeeni" loomine, kus kõik nende tekitatud magnetväljad on joondatud.
Igasuguses makroskoopilises materjalis - teisisõnu, proovis, mis on teie vaatamiseks ja suhtlemiseks piisavalt suur - on palju ruumi paljude domeenide jaoks. Igas valdkonnas on välja suund tegelikult juhuslik, nii et erinevad domeenid kipuvad üksteist tühistama. Materjali makroskoopilisel proovil puudub seega magnetväli. Kui aga eksponeerite materjali mõnele muule magnetväljale, põhjustab see kõigi domeenide joondumist ja seega on nad kõik ka üksteisega joondatud. Kui see on juhtunud, on materjali makroskoopilisel proovil magnetväli, sest kõik väikesed väljad töötavad nii-öelda koos.
Millisel määral materjal säilitab selle domeenide joonduse pärast välivälja eemaldamist, määrab kumb materjalidest, mida saate nimetada magnetilisteks. Ferromagnetilised materjalid on sellised, mis säilitavad selle joonduse pärast välivälja toimimist eemaldatud. Kuna olete oma perioodilisustabelit teades välja töötanud, on see nimi võetud rauast (Fe) ja raud on tuntuim ferromagnetiline materjal.
Kuidas elektromagnetid töötavad?
Ülaltoodud kirjeldus rõhutab seda liikumist elektriline laengud toovad magnetiline väljad. See kahe jõu seos on elektromagnetite mõistmiseks ülioluline. Samamoodi nagu elektroni liikumine aatomi tuuma ümber tekitab magnetvälja, tekitab elektronide liikumine elektrivoolu osana ka magnetvälja. Selle avastas Hans Christian Oersted 1820. aastal, kui ta märkas, et lähedal asuva traadi kaudu voolav vool suunab kompassi nõela kõrvale. Traadi sirge pikkuse korral moodustavad magnetvälja jooned traati ümbritsevad kontsentrilised ringid.
Elektromagnetid kasutavad seda nähtust traadimähise abil. Kui vool voolab läbi mähise, lisab iga silmuse tekitatud magnetväli väljale mis tekivad teistest silmustest, andes lõpliku põhja ja lõuna (või positiivse ja negatiivse) lõpp. See on elektromagnetite aluspõhimõte.
Ainuüksi sellest piisaks magnetilisuse tekitamiseks, kuid elektromagnetid paranevad "südamiku" lisamisega. See on materjal et traat on ümber mähitud ja kui see on magnetiline materjal, aitavad selle omadused kaasa mähise tekitatud väljale traat. Mähise tekitatud väli joondab materjali magnetilised domeenid, nii et nii mähis kui ka füüsiline magnetituum töötavad koos, et tekitada tugevam väli, kui kumbki üksi suudaks.
Põhilise ja suhtelise läbilaskvuse valimine
Küsimusele, milline metall sobib elektromagnetiliste südamike jaoks, vastab materjali “suhteline läbilaskvus”. Elektromagnetismi kontekstis kirjeldab materjali läbilaskvus materjali võimet moodustada magnetvälju. Kui materjalil on suurem läbilaskvus, siis magnetiseerub see tugevamalt reageerides välisele magnetväljale.
Termini “sugulane” seab standardi erinevate materjalide läbilaskvuse võrdlemiseks. Vaba ruumi läbilaskvusele antakse sümbol μ0 ja seda kasutatakse paljudes magnetismiga seotud võrrandites. See on väärtusega konstant μ0 = 4π × 10−7 henrid meetri kohta. Suhteline läbilaskvus (μr) materjali määratleb:
μr = μ / μ0
Kus μ on kõnealuse aine läbilaskvus. Suhtelisel läbitavusel pole ühikuid; see on lihtsalt puhas number. Nii et kui miski ei reageeri magnetväljale üldse, on selle suhteline läbilaskvus, mis tähendab, et see reageerib samamoodi täieliku vaakumina, teisisõnu, "vaba ruum". Mida suurem on suhteline läbilaskvus, seda suurem on signaali magnetiline reaktsioon materjal.
Mis on elektromagnetile parim südamik?
Elektromagneti parim südamik on seetõttu kõige suurema suhtelise läbilaskvusega materjal. Mis tahes materjal, mille suhteline läbilaskvus on suurem kui üks, suurendab südamikuna kasutamisel elektromagneti tugevust. Nikkel on ferromagnetilise materjali näide ja selle suhteline läbilaskvus on vahemikus 100 kuni 600. Kui kasutaksite elektromagnetiks nikli südamikku, siis suureneks tekitatud välja tugevus oluliselt.
Kuid raua suhteline läbilaskvus on 5000, kui see on 99,8 protsenti puhas, ja pehme raua suhteline läbilaskvus 99,95 protsendi puhtusega on tohutu 200 000. See tohutu suhteline läbilaskvus on põhjus, miks raud on parim elektromagneti südamik. Elektromagnet südamiku materjali valimisel on palju kaalutlusi, sealhulgas pöörisvooludest tuleneva raiskamise tõenäosus, kuid üldiselt võib öelda, et raud on odav ja tõhus, nii et see on kas kuidagi südamiku materjali sisse pandud või südamik on valmistatud puhtast rauast.
Milliseid materjale kasutatakse enamasti elektromagnetiliste südamike valmistamiseks?
Paljud materjalid võivad töötada elektromagnet südamikuna, kuid mõned levinumad on raud, amorfne teras, raud keraamika (keraamilised ühendid, mis on valmistatud raudoksiidiga), räniteras ja rauapõhine amorfne lint. Põhimõtteliselt võib elektromagnettuumana kasutada mis tahes materjali, millel on kõrge suhteline läbilaskvus. On mõned materjalid, mis on spetsiaalselt ette nähtud elektromagnetite südamikuks, sealhulgas permallium, mille suhteline läbilaskvus on 8000. Teine näide on rauapõhine Nanoperm, mille suhteline läbilaskvus on 80 000.
Need arvud on küll muljetavaldavad (ja mõlemad ületavad veidi ebapuhta raua läbilaskvust), kuid rauasüdamike domineerimise võti on tegelikult segu nende läbilaskvusest ja taskukohasusest.