Le fer est largement considéré comme le meilleur noyau pour un électro-aimant, mais pourquoi? Ce n'est pas le seul matériau magnétique, et il existe de nombreux alliages tels que l'acier que l'on pourrait s'attendre à utiliser davantage à l'ère moderne. Comprendre pourquoi vous êtes plus susceptible de voir un électro-aimant à noyau de fer qu'un autre utilisant un autre matériau vous donne une brève introduction à de nombreuses clés points sur la science de l'électromagnétisme, ainsi qu'une approche structurée pour expliquer quels matériaux sont principalement utilisés pour fabriquer électro-aimants. La réponse, en bref, se résume à la « perméabilité » du matériau aux champs magnétiques.
Comprendre le magnétisme et les domaines
L'origine du magnétisme dans les matériaux est un peu plus complexe qu'on ne le pense. Alors que la plupart des gens savent que des choses comme les barreaux magnétiques ont des pôles « nord » et « sud », et que les pôles opposés s'attirent et que les pôles correspondants se repoussent, l'origine de la force n'est pas aussi largement comprise. Le magnétisme provient finalement du mouvement des particules chargées.
Les électrons « orbitent » autour du noyau de l'atome hôte un peu comme les planètes orbitent autour du Soleil, et les électrons portent une charge électrique négative. Le mouvement de la particule chargée - vous pouvez le considérer comme une boucle circulaire bien que ce ne soit pas si simple - conduit à la création d'un champ magnétique. Ce champ n'est généré que par un électron - une minuscule particule d'une masse d'environ un milliardième de milliardième de milliardième de gramme - cela ne devrait donc pas vous surprendre que le champ d'un seul électron ne soit pas si grand. Cependant, cela influence les électrons dans les atomes voisins et conduit à l'alignement de leurs champs avec celui d'origine. Ensuite, le champ de ceux-ci influence d'autres électrons, ils influencent à leur tour les autres et ainsi de suite. Le résultat final est la création d'un petit "domaine" d'électrons où tous les champs magnétiques produits par eux sont alignés.
Tout morceau de matériel macroscopique - en d'autres termes, un échantillon suffisamment grand pour que vous puissiez le voir et interagir avec - a beaucoup de place pour de nombreux domaines. La direction du champ dans chacun est effectivement aléatoire, de sorte que les différents domaines ont tendance à s'annuler. L'échantillon macroscopique de matériau n'aura donc pas de champ magnétique net. Cependant, si vous exposez le matériau à un autre champ magnétique, tous les domaines s'alignent avec lui, et ils seront donc tous alignés les uns avec les autres. Lorsque cela se produira, l'échantillon macroscopique du matériau aura un champ magnétique, car tous les petits champs «travaillent ensemble», pour ainsi dire.
La mesure dans laquelle un matériau maintient cet alignement de domaines après la suppression du champ externe détermine quel des matériaux que vous pouvez appeler « magnétiques ». Les matériaux ferromagnétiques sont ceux qui maintiennent cet alignement après que le champ externe a été supprimé. Comme vous l'avez peut-être compris si vous connaissez votre tableau périodique, ce nom est tiré du fer (Fe), et le fer est le matériau ferromagnétique le plus connu.
Comment fonctionnent les électro-aimants ?
La description ci-dessus souligne que le déplacement électrique les charges produisent magnétique des champs. Ce lien entre les deux forces est crucial pour comprendre les électroaimants. De la même manière que le mouvement d'un électron autour du noyau d'un atome produit un champ magnétique, le mouvement des électrons dans le cadre d'un courant électrique produit également un champ magnétique. Cela a été découvert par Hans Christian Oersted en 1820, lorsqu'il a remarqué que l'aiguille d'une boussole était déviée par le courant traversant un fil à proximité. Pour une longueur de fil droite, les lignes de champ magnétique forment des cercles concentriques entourant le fil.
Les électro-aimants exploitent ce phénomène en utilisant une bobine de fil. Lorsque le courant traverse la bobine, le champ magnétique généré par chaque boucle s'ajoute au champ générés par les autres boucles, produisant un « nord » et un « sud » définitifs (ou positif et négatif) finir. C'est le principe de base qui sous-tend les électro-aimants.
Cela seul suffirait à produire du magnétisme, mais les électro-aimants sont améliorés avec l'ajout d'un "noyau". C'est un matériau que le fil est enroulé, et s'il s'agit d'un matériau magnétique, ses propriétés contribueront au champ produit par la bobine de fil. Le champ produit par la bobine aligne les domaines magnétiques dans le matériau, de sorte que la bobine et le noyau magnétique physique travaillent ensemble pour produire un champ plus fort que l'un ou l'autre seul.
Choisir un noyau et une perméabilité relative
La question de savoir quel métal convient aux noyaux d'électro-aimants est répondue par la «perméabilité relative» du matériau. Dans le contexte de l'électromagnétisme, la perméabilité du matériau décrit la capacité du matériau à former des champs magnétiques. Si un matériau a une perméabilité plus élevée, il se magnétisera plus fortement en réponse à un champ magnétique externe.
Le « relatif » dans le terme établit une norme pour la comparaison de la perméabilité de différents matériaux. La perméabilité de l'espace libre est désignée par le symbole μ0 et est utilisé dans de nombreuses équations traitant du magnétisme. C'est une constante de valeur μ0 = 4π × 10−7 Henri par mètre. La perméabilité relative (μr) d'un matériau est défini par :
μr = μ / μ0
Où μ est la perméabilité de la substance en question. La perméabilité relative n'a pas d'unités; c'est juste un nombre pur. Donc, si quelque chose ne répond pas du tout à un champ magnétique, il a une perméabilité relative de un, ce qui signifie qu'il répond de la même manière comme un vide complet, en d'autres termes, « espace libre ». Plus la perméabilité relative est élevée, plus la réponse magnétique du Matériel.
Quel est le meilleur noyau pour un électro-aimant ?
Le meilleur noyau pour un électro-aimant est donc le matériau ayant la perméabilité relative la plus élevée. Tout matériau avec une perméabilité relative supérieure à un augmentera la résistance d'un électro-aimant lorsqu'il est utilisé comme noyau. Le nickel est un exemple de matériau ferromagnétique, et il a une perméabilité relative comprise entre 100 et 600. Si vous utilisiez un noyau de nickel pour un électro-aimant, la force du champ produit serait considérablement améliorée.
Cependant, le fer a une perméabilité relative de 5 000 lorsqu'il est pur à 99,8 %, et la perméabilité relative du fer doux avec une pureté de 99,95 % est de 200 000. Cette énorme perméabilité relative est la raison pour laquelle le fer est le meilleur noyau pour un électro-aimant. Il existe de nombreuses considérations lors du choix d'un matériau pour un noyau d'électro-aimant, y compris la probabilité de gaspillage résultant des courants de Foucault, mais de manière générale, le fer est bon marché et efficace, il est donc soit incorporé dans le matériau du noyau, soit le noyau est fabriqué à partir de fer pur.
Quels matériaux sont principalement utilisés pour fabriquer des noyaux d'électroaimants ?
De nombreux matériaux peuvent fonctionner comme noyaux d'électro-aimants, mais certains courants sont le fer, l'acier amorphe, ferreux céramiques (composés céramiques à base d'oxyde de fer), acier au silicium et ruban amorphe à base de fer. En principe, tout matériau avec une perméabilité relative élevée peut être utilisé comme noyau d'électroaimant. Certains matériaux ont été spécialement conçus pour servir de noyaux aux électro-aimants, notamment le permalloy, qui a une perméabilité relative de 8 000. Un autre exemple est le Nanoperm à base de fer, qui a une perméabilité relative de 80 000.
Ces chiffres sont impressionnants (et les deux dépassent la perméabilité du fer légèrement impur), mais la clé de la domination des noyaux de fer est vraiment un mélange de leur perméabilité et de leur prix abordable.