Mengapa Besi Inti Terbaik untuk Elektromagnet?

Besi secara luas dianggap sebagai inti terbaik untuk elektromagnet, tetapi mengapa? Ini bukan satu-satunya bahan magnetik, dan ada banyak paduan seperti baja yang mungkin Anda harapkan akan lebih banyak digunakan di zaman modern ini. Memahami mengapa Anda lebih cenderung melihat elektromagnet inti besi daripada yang menggunakan bahan lain memberi Anda pengenalan singkat tentang banyak kunci poin tentang ilmu elektromagnetisme, serta pendekatan terstruktur untuk menjelaskan bahan mana yang paling banyak digunakan untuk membuat elektromagnet. Jawabannya, singkatnya, terletak pada “permeabilitas” material terhadap medan magnet.

Asal usul magnetisme dalam bahan sedikit lebih kompleks daripada yang Anda kira. Sementara kebanyakan orang tahu bahwa hal-hal seperti magnet batang memiliki kutub "utara" dan "selatan", dan kutub yang berlawanan menarik dan kutub yang cocok tolak menolak, asal usul gaya tidak dipahami secara luas. Magnetisme pada akhirnya berasal dari gerakan partikel bermuatan.

Elektron “mengorbit” inti atom inang sedikit seperti bagaimana planet mengorbit Matahari, dan elektron membawa muatan listrik negatif. Gerakan partikel bermuatan – Anda dapat menganggapnya sebagai lingkaran melingkar meskipun tidak sesederhana itu – mengarah pada penciptaan medan magnet. Medan ini hanya dihasilkan oleh elektron – partikel kecil dengan massa sekitar sepersejuta a sepersejuta dari satu miliar gram – jadi seharusnya tidak mengejutkan Anda bahwa medan dari satu elektron tidak sebesar itu. Namun, itu mempengaruhi elektron di atom tetangga dan mengarah ke bidang mereka sejajar dengan yang asli. Kemudian medan dari ini mempengaruhi elektron lain, mereka pada gilirannya mempengaruhi orang lain dan seterusnya. Hasil akhirnya adalah penciptaan "domain" kecil elektron di mana semua medan magnet yang dihasilkan oleh mereka sejajar.

Materi makroskopik apa pun – dengan kata lain, sampel yang cukup besar untuk Anda lihat dan berinteraksi – memiliki banyak ruang untuk banyak domain. Arah medan di masing-masing domain secara efektif acak, sehingga berbagai domain cenderung saling meniadakan. Sampel makroskopik material, oleh karena itu, tidak akan memiliki medan magnet bersih. Namun, jika Anda mengekspos material ke medan magnet lain, ini menyebabkan semua domain sejajar dengannya, sehingga semuanya juga akan sejajar satu sama lain. Ketika ini terjadi, sampel makroskopik material akan memiliki medan magnet, karena semua medan kecil itu “bekerja sama”, sehingga bisa dikatakan.

Sejauh mana bahan mempertahankan keselarasan domain ini setelah bidang eksternal dihapus menentukan mana bahan yang bisa Anda sebut "magnetik." Bahan feromagnetik adalah bahan yang mempertahankan keselarasan ini setelah medan eksternal memiliki telah dihapus. Seperti yang mungkin telah Anda kerjakan jika Anda mengetahui tabel periodik Anda, nama ini diambil dari besi (Fe), dan besi adalah bahan feromagnetik yang paling terkenal.

Uraian di atas menekankan bahwa bergerak listrik biaya menghasilkan magnetis bidang. Hubungan antara dua gaya ini sangat penting untuk memahami elektromagnet. Dengan cara yang sama seperti pergerakan elektron di sekitar inti atom menghasilkan medan magnet, pergerakan elektron sebagai bagian dari arus listrik juga menghasilkan medan magnet. Ini ditemukan oleh Hans Christian Oersted pada tahun 1820, ketika dia memperhatikan bahwa jarum kompas dibelokkan oleh arus yang mengalir melalui kawat di dekatnya. Untuk panjang kawat lurus, garis medan magnet membentuk lingkaran konsentris yang mengelilingi kawat.

Elektromagnet memanfaatkan fenomena ini dengan menggunakan gulungan kawat. Saat arus mengalir melalui koil, medan magnet yang dihasilkan oleh setiap loop menambah medan dihasilkan oleh loop lain, menghasilkan "utara" dan "selatan" definitif (atau positif dan negatif) akhir. Ini adalah prinsip dasar yang mendasari elektromagnet.

Ini saja sudah cukup untuk menghasilkan magnet, tetapi elektromagnet ditingkatkan dengan penambahan "inti". Ini adalah bahan bahwa kawat melilit, dan jika itu adalah bahan magnetik, sifat-sifatnya akan berkontribusi pada medan yang dihasilkan oleh kumparan kawat. Medan yang dihasilkan oleh koil menyelaraskan domain magnetik dalam material, sehingga koil dan inti magnet fisik bekerja sama untuk menghasilkan medan yang lebih kuat daripada yang dapat dihasilkan sendiri.

Pertanyaan tentang logam mana yang cocok untuk inti elektromagnet dijawab oleh "permeabilitas relatif" material. Dalam konteks elektromagnetisme, permeabilitas material menggambarkan kemampuan material untuk membentuk medan magnet. Jika suatu bahan memiliki permeabilitas yang lebih tinggi, maka bahan tersebut akan termagnetisasi lebih kuat sebagai respons terhadap medan magnet luar.

"Kerabat" dalam istilah menetapkan standar untuk perbandingan permeabilitas bahan yang berbeda. Permeabilitas ruang bebas diberi simbol μ₀ dan digunakan dalam banyak persamaan yang berhubungan dengan magnetisme. Ini adalah konstanta dengan nilai μ₀ = 4π × 10⁻⁷ henry per meter. Permeabilitas relatif (μ_r) dari suatu bahan ditentukan oleh:

μ_r = μ / μ₀

Dimana μ adalah permeabilitas zat yang bersangkutan. Permeabilitas relatif tidak memiliki satuan; itu hanya angka murni. Jadi, jika sesuatu tidak merespon sama sekali terhadap medan magnet, ia memiliki permeabilitas relatif satu, yang berarti ia merespons dengan cara yang sama sebagai ruang hampa total, dengan kata lain, "ruang bebas". Semakin tinggi permeabilitas relatif, semakin besar respons magnetik dari bahan.

Oleh karena itu, inti terbaik untuk elektromagnet adalah bahan dengan permeabilitas relatif tertinggi. Setiap bahan dengan permeabilitas relatif lebih tinggi dari satu akan meningkatkan kekuatan elektromagnet bila digunakan sebagai inti. Nikel adalah contoh bahan feromagnetik, dan memiliki permeabilitas relatif antara 100 dan 600. Jika Anda menggunakan inti nikel untuk elektromagnet, maka kekuatan medan yang dihasilkan akan meningkat secara drastis.

Namun, besi memiliki permeabilitas relatif 5.000 ketika murni 99,8 persen, dan permeabilitas relatif besi lunak dengan kemurnian 99,95 persen adalah 200.000 besar. Permeabilitas relatif yang besar ini adalah mengapa besi adalah inti terbaik untuk elektromagnet. Ada banyak pertimbangan ketika memilih bahan untuk inti elektromagnet, termasuk kemungkinan pemborosan akibat arus eddy, tetapi secara umum, besi murah dan efektif, jadi entah bagaimana dimasukkan ke dalam bahan inti atau inti terbuat dari besi murni.

Banyak bahan dapat berfungsi sebagai inti elektromagnet, tetapi beberapa yang umum adalah besi, baja amorf, besi keramik (senyawa keramik yang dibuat dengan oksida besi), baja silikon dan pita amorf berbasis besi. Pada prinsipnya, bahan apa pun dengan permeabilitas relatif tinggi dapat digunakan sebagai inti elektromagnet. Ada beberapa bahan yang dibuat khusus untuk dijadikan inti elektromagnet, antara lain permalloy yang memiliki permeabilitas relatif 8.000. Contoh lain adalah Nanoperm berbasis besi, yang memiliki permeabilitas relatif 80.000.

Angka-angka ini mengesankan (dan keduanya melebihi permeabilitas besi yang sedikit tidak murni), tetapi kunci dominasi inti besi adalah campuran antara permeabilitas dan keterjangkauannya.