Perché il ferro è il miglior nucleo per un elettromagnete?

Il ferro è ampiamente considerato come il miglior nucleo per un elettromagnete, ma perché? Non è l'unico materiale magnetico e ci sono molte leghe come l'acciaio che potresti aspettarti vengano utilizzate di più nell'età moderna. Capire perché è più probabile che tu veda un elettromagnete con nucleo di ferro rispetto a uno che utilizza un altro materiale ti dà una breve introduzione a molte chiavi punti sulla scienza dell'elettromagnetismo, nonché un approccio strutturato per spiegare quali materiali sono maggiormente utilizzati per la fabbricazione elettromagneti. La risposta, in breve, si riduce alla “permeabilità” del materiale ai campi magnetici.

L'origine del magnetismo nei materiali è un po' più complessa di quanto si possa pensare. Mentre la maggior parte delle persone sa che cose come i magneti a barra hanno poli "nord" e "sud" e che i poli opposti si attraggono e i poli corrispondenti si respingono, l'origine della forza non è così ampiamente compresa. Il magnetismo alla fine deriva dal movimento di particelle cariche.

Gli elettroni "orbitano" nel nucleo dell'atomo ospite un po' come i pianeti orbitano attorno al Sole, e gli elettroni trasportano una carica elettrica negativa. Il movimento della particella carica - puoi pensarlo come un anello circolare anche se non è così semplice - porta alla creazione di un campo magnetico. Questo campo è generato solo da un elettrone, una minuscola particella con una massa di circa un miliardesimo di a miliardesimo di miliardesimo di grammo, quindi non dovrebbe sorprenderti che il campo di un singolo elettrone non sia così grande. Tuttavia, influenza gli elettroni negli atomi vicini e porta i loro campi ad allinearsi con quello originale. Quindi il campo di questi influenza altri elettroni, a loro volta ne influenzano altri e così via. Il risultato finale è la creazione di un piccolo “dominio” di elettroni dove tutti i campi magnetici da essi prodotti sono allineati.

Qualsiasi frammento macroscopico di materiale - in altre parole, un campione abbastanza grande da poter essere visto e con cui interagire - ha molto spazio per molti domini. La direzione del campo in ciascuno di essi è effettivamente casuale, quindi i vari domini tendono a annullarsi a vicenda. Il campione macroscopico di materiale, quindi, non avrà un campo magnetico netto. Tuttavia, se esponi il materiale a un altro campo magnetico, questo fa sì che tutti i domini si allineino con esso, e quindi saranno anche tutti allineati tra loro. Quando questo è successo, il campione macroscopico del materiale avrà un campo magnetico, perché tutti i piccoli campi stanno "lavorando insieme", per così dire.

La misura in cui un materiale mantiene questo allineamento di domini dopo la rimozione del campo esterno determina quale determine materiali che puoi chiamare "magnetici". I materiali ferromagnetici sono quelli che mantengono questo allineamento dopo che il campo esterno ha stato rimosso. Come avrai capito se conosci la tua tavola periodica, questo nome è preso dal ferro (Fe) e il ferro è il materiale ferromagnetico più noto.

La descrizione sopra sottolinea che in movimento elettrico le spese producono magnetico campi. Questo legame tra le due forze è cruciale per comprendere gli elettromagneti. Allo stesso modo in cui il movimento di un elettrone attorno al nucleo di un atomo produce un campo magnetico, anche il movimento degli elettroni come parte di una corrente elettrica produce un campo magnetico. Questo fu scoperto da Hans Christian Oersted nel 1820, quando notò che l'ago di una bussola veniva deviato dalla corrente che scorreva attraverso un filo vicino. Per un tratto rettilineo di filo, le linee del campo magnetico formano cerchi concentrici che circondano il filo.

Gli elettromagneti sfruttano questo fenomeno utilizzando una bobina di filo. Mentre la corrente scorre attraverso la bobina, il campo magnetico generato da ogni anello si aggiunge al campo generato dagli altri loop, producendo un "nord" e un "sud" definitivi (o positivo e negativo) fine. Questo è il principio di base che sta alla base degli elettromagneti.

Questo da solo sarebbe sufficiente per produrre magnetismo, ma gli elettromagneti vengono migliorati con l'aggiunta di un "nucleo". Questo è un materiale intorno al quale il filo è avvolto, e se è un materiale magnetico, le sue proprietà contribuiranno al campo prodotto dalla bobina di filo. Il campo prodotto dalla bobina allinea i domini magnetici nel materiale, quindi sia la bobina che il nucleo magnetico fisico lavorano insieme per produrre un campo più forte di quanto entrambi potrebbero fare da soli.

Alla domanda su quale metallo sia adatto per i nuclei dell'elettromagnete si risponde alla "permeabilità relativa" del materiale. Nel contesto dell'elettromagnetismo, la permeabilità del materiale descrive la capacità del materiale di formare campi magnetici. Se un materiale ha una permeabilità maggiore, si magnetizzerà più fortemente in risposta a un campo magnetico esterno.

Il "parente" nel termine stabilisce uno standard per il confronto della permeabilità di diversi materiali. La permeabilità dello spazio libero è data dal simbolo μ₀ ed è usato in molte equazioni che hanno a che fare con il magnetismo. È una costante con il valore μ₀ = 4π × 10⁻⁷ henry al metro. La permeabilità relativa (μ_r) di un materiale è definito da:

μ_r = μ / μ₀

Dove μ è la permeabilità della sostanza in questione. La permeabilità relativa non ha unità; è solo un numero puro. Quindi se qualcosa non risponde affatto a un campo magnetico, ha una permeabilità relativa di uno, il che significa che risponde allo stesso modo come un vuoto completo, in altre parole, "spazio libero". Maggiore è la permeabilità relativa, maggiore è la risposta magnetica del Materiale.

Il miglior nucleo per un elettromagnete è quindi il materiale con la più alta permeabilità relativa. Qualsiasi materiale con una permeabilità relativa maggiore di uno aumenterà la forza di un elettromagnete quando usato come nucleo. Il nichel è un esempio di materiale ferromagnetico e ha una permeabilità relativa compresa tra 100 e 600. Se si utilizzasse un nucleo di nichel per un elettromagnete, l'intensità del campo prodotto sarebbe drasticamente migliorata.

Tuttavia, il ferro ha una permeabilità relativa di 5.000 quando è puro al 99,8 percento e la permeabilità relativa del ferro dolce con una purezza del 99,9 percento è di ben 200.000. Questa enorme permeabilità relativa è il motivo per cui il ferro è il miglior nucleo per un elettromagnete. Ci sono molte considerazioni quando si sceglie un materiale per un nucleo elettromagnetico, inclusa la probabilità di sprechi derivanti da correnti parassite, ma in generale, il ferro è economico ed efficace, quindi o è in qualche modo incorporato nel materiale del nucleo o il nucleo è costituito da ferro puro.

Molti materiali possono funzionare come nuclei di elettromagneti, ma alcuni comuni sono ferro, acciaio amorfo, ferroso, ceramica (composti ceramici realizzati con ossido di ferro), acciaio al silicio e nastro amorfo a base di ferro. In linea di principio, qualsiasi materiale con un'elevata permeabilità relativa può essere utilizzato come nucleo elettromagnetico. Ci sono alcuni materiali che sono stati realizzati appositamente per fungere da nuclei per elettromagneti, inclusa la permalloy, che ha una permeabilità relativa di 8.000. Un altro esempio è la Nanoperm a base di ferro, che ha una permeabilità relativa di 80.000.

Questi numeri sono impressionanti (ed entrambi superano la permeabilità del ferro leggermente impuro), ma la chiave per il predominio dei nuclei di ferro è davvero una miscela della loro permeabilità e della loro convenienza.