Željezo se smatra najboljom jezgrom za elektromagnet, ali zašto? To nije jedini magnetski materijal, a ima puno legura poput čelika za koje biste mogli očekivati da će se više koristiti u moderno doba. Razumijevanje zašto je vjerojatnije da ćete vidjeti elektromagnet od željezne jezgre nego onaj koji koristi drugi materijal daje vam kratki uvod u mnoge ključeve točke o znanosti elektromagnetizma, kao i strukturirani pristup objašnjavanju koji se materijali uglavnom koriste za izradu elektromagneti. Odgovor se, ukratko, svodi na "propusnost" materijala za magnetska polja.
Razumijevanje magnetizma i domena
Podrijetlo magnetizma u materijalima malo je složenije nego što biste mogli pomisliti. Iako većina ljudi zna da stvari poput šipkastih magneta imaju "sjeverni" i "južni" pol, te da suprotni polovi privlače, a podudarni polovi odbijaju, podrijetlo sile nije toliko široko razumljivo. Magnetizam u konačnici proizlazi iz gibanja nabijenih čestica.
Elektroni "kruže" oko jezgre atoma domaćina pomalo nalik tome kako planete kruže oko Sunca, a elektroni nose negativni električni naboj. Kretanje nabijene čestice - možete je zamisliti kao kružnu petlju, iako zapravo nije baš tako jednostavno - dovodi do stvaranja magnetskog polja. Ovo polje generira samo elektron - sićušna čestica mase oko milijardu a milijarditi milijarditi dio grama - pa vas ne bi trebalo iznenaditi da polje od jednog elektrona nije ono veliko. Međutim, utječe na elektrone u susjednim atomima i dovodi do njihovog poravnanja s izvornim. Tada polje od njih utječe na druge elektrone, oni pak na druge i tako dalje. Krajnji rezultat je stvaranje male "domene" elektrona gdje su poravnana sva magnetska polja koja oni proizvode.
Bilo koji makroskopski djelić materijala - drugim riječima, uzorak dovoljno velik da ga možete vidjeti i komunicirati - ima dovoljno mjesta za puno domena. Smjer polja u svakom od njih je zapravo slučajan, pa se različite domene međusobno poništavaju. Stoga makroskopski uzorak materijala neće imati mrežnu magnetsku polju. Međutim, ako materijal izložite drugom magnetskom polju, to uzrokuje da se sve domene poravnaju s njim, pa će tako i sve biti međusobno poravnate. Kad se to dogodi, makroskopski uzorak materijala imat će magnetsko polje, jer sva mala polja, da tako kažem, "rade zajedno".
U kojoj mjeri materijal održava ovo poravnanje domena nakon uklanjanja vanjskog polja, određuje koja materijali koje možete nazvati "magnetskim". Ferromagnetski materijali su oni koji održavaju ovo poravnanje nakon što vanjsko polje ima je uklonjen. Kao što ste možda već radili ako znate svoj periodni sustav, ovaj naziv je preuzet od željeza (Fe), a željezo je najpoznatiji feromagnetski materijal.
Kako djeluju elektromagneti?
Gornji opis naglašava da se kretanje električni naboji proizvode magnetski polja. Ova veza između dviju sila presudna je za razumijevanje elektromagneta. Na isti način kao što kretanje elektrona oko jezgre atoma stvara magnetsko polje, kretanje elektrona kao dijela električne struje također stvara magnetsko polje. To je otkrio Hans Christian Oersted 1820. godine, kada je primijetio da je igla kompasa skrenula struja koja je tekla kroz obližnju žicu. Za ravnu duljinu žice, linije magnetskog polja čine koncentrične krugove koji okružuju žicu.
Elektromagneti iskorištavaju ovaj fenomen pomoću zavojnice žice. Kako struja prolazi kroz zavojnicu, magnetsko polje koje generira svaka petlja dodaje se polju generirane od ostalih petlji, stvarajući definitivan "sjever" i "jug" (ili pozitivan i negativan) kraj. Ovo je osnovno načelo koje podupire elektromagnete.
Samo ovo bilo bi dovoljno za stvaranje magnetizma, ali elektromagneti se poboljšavaju dodatkom "jezgre". Ovo je materijal da je žica omotana i ako je riječ o magnetskom materijalu, njegova svojstva pridonijet će polju koje stvara zavojnica žica. Polje koje stvara zavojnica poravnava magnetske domene u materijalu, tako da i zavojnica i fizička magnetska jezgra rade zajedno kako bi stvorili jače polje nego što bi i jedno i drugo moglo.
Odabir jezgre i relativne propusnosti
Na pitanje koji je metal prikladan za jezgre elektromagneta, odgovara "relativna propusnost" materijala. U kontekstu elektromagnetizma, propusnost materijala opisuje sposobnost materijala da tvori magnetska polja. Ako materijal ima veću propusnost, tada će se jače magnetizirati kao odgovor na vanjsko magnetsko polje.
Pojam "rođak" postavlja standard za usporedbu propusnosti različitih materijala. Propusnost slobodnog prostora dana je simbolom μ0 i koristi se u mnogim jednadžbama koje se bave magnetizmom. To je konstanta s vrijednošću μ0 = 4π × 10−7 henrija po metru. Relativna propusnost (μr) materijala definiran je sa:
μr = μ / μ0
Gdje μ je propusnost dotične tvari. Relativna propusnost nema jedinice; to je samo čisti broj. Dakle, ako nešto uopće ne reagira na magnetsko polje, to ima relativnu propusnost, što znači da reagira na isti način kao potpuni vakuum, drugim riječima, "slobodni prostor". Što je veća relativna propusnost, to je magnetni odziv veći materijal.
Koja je najbolja jezgra za elektromagnet?
Stoga je najbolja jezgra za elektromagnet materijal s najvećom relativnom propusnošću. Bilo koji materijal s relativnom propusnošću većom od jedne povećat će čvrstoću elektromagneta kada se koristi kao jezgra. Nikal je primjer feromagnetskog materijala i ima relativnu propusnost između 100 i 600. Ako ste za elektromagnet koristili niklenu jezgru, tada bi se jakost proizvedenog polja drastično poboljšala.
Međutim, željezo ima relativnu propusnost 5000 kada je čisto 99,8 posto, a relativna propusnost mekog željeza s čistoćom 99,95 posto je masivnih 200 000. Ova ogromna relativna propusnost je razlog zašto je željezo najbolja jezgra za elektromagnet. Mnogo je razmatranja pri odabiru materijala za jezgru elektromagneta, uključujući vjerojatnost rasipanja nastalog vrtložnim strujama, ali općenito govoreći, željezo je jeftino i učinkovito, pa je ili nekako ugrađeno u materijal jezgre ili je jezgra izrađena od čistog željeza.
Koji se materijali najviše koriste za izradu elektromagnetskih jezgri?
Mnogi materijali mogu raditi kao jezgre elektromagneta, ali neki od njih su željezo, amorfni čelik i željezo keramika (keramički spojevi izrađeni od željeznog oksida), silicijski čelik i amorfna traka na bazi željeza. U principu, bilo koji materijal s visokom relativnom propusnošću može se koristiti kao jezgra elektromagneta. Postoje neki materijali izrađeni posebno da služe kao jezgre za elektromagnete, uključujući permaloj, koji ima relativnu propusnost od 8000. Sljedeći je primjer Nanoperm na bazi željeza, koji ima relativnu propusnost od 80 000.
Te su brojke impresivne (i obje premašuju propusnost blago nečistog željeza), ali ključ dominacije željeznih jezgri zaista je mješavina njihove propusnosti i njihove pristupačnosti.