A vasat széles körben az elektromágnes legjobb magjának tekintik, de miért? Nem ez az egyetlen mágneses anyag, és rengeteg olyan ötvözet, például acél, amelyre számíthat, hogy a modern korban többet fog használni. Annak megértése, hogy miért látja nagyobb valószínűséggel a vasmag elektromágnesét, mint egy másik anyag használata, rövid bevezetést ad számos kulcshoz pontok az elektromágnesesség tudományáról, valamint strukturált megközelítés annak elmagyarázására, hogy mely anyagokat használják leginkább elektromágnesek. A válasz röviden az anyag mágneses mezőkre való „áteresztőképességére” vonatkozik.
A mágnesesség és a domainek megértése
Az anyagok mágnesességének eredete kissé összetettebb, mint gondolná. Noha a legtöbb ember tudja, hogy az olyan rúdmágneseknek, mint az „északi” és a „déli” pólusnak, az ellentétes pólusok vonzzák és az azokhoz illeszkedő pólusok taszítják, az erő eredete nem annyira ismert. A mágnesség végül a töltött részecskék mozgásából fakad.
Az elektronok kicsit úgy „körül keringik” a gazda atom magját, mint a bolygók a Nap körül, és az elektronok negatív elektromos töltést hordoznak. A töltött részecske mozgása - gondolhat úgy, mint egy kör alakú hurok, bár valójában nem is olyan egyszerű - mágneses mező létrehozásához vezet. Ezt a mezőt csak egy elektron hozza létre - egy apró részecske, amelynek tömege kb milliomodmilliárdmilliárd gramm - ezért nem lephet meg, hogy egyetlen elektron mezője nem az akkora. Ez azonban befolyásolja a szomszédos atomok elektronjait, és oda vezet, hogy azok mezői igazodjanak az eredetihez. Ezután az ezekből származó mező hatással van más elektronokra, ezek pedig másokra és így tovább. A végeredmény egy kis "tartomány" létrehozása az elektronokról, ahol az általuk előállított összes mágneses mező igazodik.
Bármely makroszkopikus anyag - más szóval, egy elég nagy minta ahhoz, hogy láthassa és interakcióba léphessen - rengeteg teret tartalmaz sok domain számára. A mező iránya mindegyikben gyakorlatilag véletlenszerű, ezért a különböző tartományok általában törlik egymást. Az anyag makroszkopikus mintájának tehát nem lesz nettó mágneses tere. Ha azonban az anyagot egy másik mágneses mezőnek tesszük ki, akkor ez az összes tartományt igazodik hozzá, és így mindegyikük egymáshoz is igazodni fog. Amikor ez megtörtént, az anyag makroszkopikus mintájának mágneses tere lesz, mert az összes kis mező úgymond „együtt működik”.
Az, hogy egy anyag mennyire tartja fenn a tartományok ezen összehangolását a külső mező eltávolítása után, meghatározza, hogy melyik olyan anyagok, amelyeket „mágnesesnek” nevezhet. A ferromágneses anyagok azok, amelyek fenntartják ezt az igazodást, miután a külső mező megvan eltávolították. Mint kiderülhetett, ha ismeri a periódusos rendszerét, ez a név vasból (Fe) származik, és a vas a legismertebb ferromágneses anyag.
Hogyan működnek az elektromágnesek?
A fenti leírás hangsúlyozza, hogy a mozgás elektromos töltések termelnek mágneses mezők. Ez a kapcsolat a két erő között döntő fontosságú az elektromágnesek megértése szempontjából. Ugyanúgy, ahogy az elektron mozgása az atom magja körül mágneses teret hoz létre, az elektronok mozgása az elektromos áram részeként mágneses teret is létrehoz. Ezt fedezte fel Hans Christian Oersted 1820-ban, amikor észrevette, hogy az iránytű tűjét a közeli vezetéken átfolyó áram eltéríti. Egyenes huzal esetén a mágneses mező vonalai koncentrikus köröket képeznek a huzal körül.
Az elektromágnesek huzaltekercs segítségével használják ki ezt a jelenséget. Amint az áram átfolyik a tekercsen, az egyes hurkok által létrehozott mágneses mező hozzáadódik a mezőhöz amelyet a többi hurok generál, és végleges „északot” és „délet” (vagy pozitív és negatív) eredményez vége. Ez az alapelv, amely alátámasztja az elektromágneseket.
Ez önmagában elég lenne a mágnesesség előidézéséhez, de az elektromágneseket egy „mag” hozzáadásával javítják. Ez egy anyag hogy a drót körbetekerik, és ha mágneses anyag, akkor tulajdonságai hozzájárulnak a tekercs által létrehozott mezőhöz huzal. A tekercs által előállított mező összehangolja az anyag mágneses doménjeit, így mind a tekercs, mind a fizikai mágneses mag együtt erősebb mezőt hoz létre, mint bármelyik önmagában.
A mag és a relatív permeabilitás kiválasztása
Arra a kérdésre, hogy melyik fém alkalmas elektromágneses magokra, az anyag „relatív permeabilitása” ad választ. Az elektromágnesesség összefüggésében az anyag permeabilitása leírja az anyag mágneses mezők képző képességét. Ha egy anyagnak nagyobb a permeabilitása, akkor erősebben mágnesezik, reagálva egy külső mágneses mezőre.
A kifejezés „rokona” szabványt határoz meg a különböző anyagok permeabilitásának összehasonlítására. A szabad tér átjárhatósága megkapja a szimbólumot μ0 és számos mágnessel foglalkozó egyenletben használják. Az értékkel állandó μ0 = 4π × 10−7 henries méterenként. A relatív permeabilitás (μr) anyag meghatározása:
μr = μ / μ0
Hol μ a kérdéses anyag permeabilitása. A relatív permeabilitásnak nincs egysége; ez csak egy tiszta szám. Tehát, ha valami egyáltalán nem reagál a mágneses mezőre, annak relatív permeabilitása van, ami azt jelenti, hogy ugyanúgy reagál teljes vákuumként, más szóval „szabad térként”. Minél nagyobb a relatív permeabilitás, annál nagyobb a anyag.
Mi a legjobb mag egy elektromágneshez?
Az elektromágnes számára a legjobb mag tehát a legnagyobb relatív permeabilitású anyag. Bármely anyag, amelynek relatív permeabilitása egynél nagyobb, magként használva növeli az elektromágnes szilárdságát. A nikkel egy példa egy ferromágneses anyagra, relatív permeabilitása 100 és 600 között van. Ha nikkelmagot használna egy elektromágneshez, akkor az előállított tér erőssége drasztikusan javulna.
Ugyanakkor a vas relatív permeabilitása 5000, ha tisztasága 99,8%, a puha vas relatív permeabilitása 99,95% -os tisztaságú masszív 200 000. Ez a hatalmas relatív permeabilitás miatt a vas a legjobb mag az elektromágnes számára. Az elektromágneses mag anyagának kiválasztásakor számos szempont figyelhető meg, ideértve az örvényáramokból eredő pazarlás valószínűségét, de általában véve a vas olcsó és hatékony, ezért vagy valamilyen módon beépül a mag anyagába, vagy a mag tiszta vasból készül.
Mely anyagokat használják leginkább elektromágneses magok készítéséhez?
Számos anyag elektromágneses magként működhet, de néhány általános vas, amorf acél, vas kerámia (vasoxiddal készített kerámia vegyületek), szilíciumacél és vasalapú amorf szalag. Elvileg bármilyen, nagy relatív permeabilitású anyag használható elektromágneses magként. Vannak olyan anyagok, amelyeket kifejezetten elektromágnesek magjaként szolgálnak, beleértve a permallot, amelynek relatív permeabilitása 8000. Egy másik példa a vasalapú Nanoperm, amelynek relatív permeabilitása 80 000.
Ezek a számok lenyűgözőek (és mindkettő meghaladja az enyhén tisztátalan vas áteresztőképességét), de a vasmagok dominanciájának kulcsa valójában keveréke a permeabilitásuknak és megfizethetőségüknek.