ברזל נחשב לליבה הטובה ביותר עבור אלקטרומגנט, אך מדוע? זה לא החומר המגנטי היחיד, ויש הרבה סגסוגות כמו פלדה שאפשר לצפות להשתמש בהן יותר בעידן המודרני. ההבנה מדוע סביר יותר שתראה אלקטרומגנט ליבה מברזל מאשר אחד המשתמש בחומר אחר נותן לך היכרות קצרה עם מקשים רבים נקודות על מדע האלקטרומגנטיות, כמו גם גישה מובנית להסבר אילו חומרים משמשים בעיקר לייצור אלקטרומגנטים. התשובה, בקיצור, מסתכמת ב"חדירות "החומר לשדות מגנטיים.
הבנת מגנטיות ותחומים
מקור המגנטיות בחומרים הוא קצת יותר מורכב ממה שנדמה לכם. בעוד שרוב האנשים יודעים שלדברים כמו מגנטים ברים יש מוטות "צפון" ו"דרום ", וכי קטבים מנוגדים מושכים וקטבים תואמים דוחים, אך מקור הכוח אינו מובן כל כך. בסופו של דבר מגנטיות נובעת מתנועת חלקיקים טעונים.
אלקטרונים "מקיפים" את גרעין האטום המארח קצת כמו איך כוכבי הלכת מקיפים את השמש, ואלקטרונים נושאים מטען חשמלי שלילי. תנועת החלקיק הטעון - אתה יכול לחשוב עליו כעל לולאה מעגלית אם כי זה לא ממש פשוט כל כך - מובילה ליצירת שדה מגנטי. שדה זה נוצר רק על ידי אלקטרון - חלקיק זעיר בעל מסה של כמיליארד א מיליארדית מיליארד גרם - אז זה לא אמור להפתיע אתכם שהשדה מאלקטרון אחד אינו כל כך גדול. עם זאת, הוא משפיע על אלקטרונים באטומים הסמוכים ומוביל לשדותיהם בקנה אחד עם המקור. ואז השדה מאלה משפיע על אלקטרונים אחרים, הם בתורם משפיעים על אחרים וכן הלאה. התוצאה הסופית היא יצירת "תחום" קטן של אלקטרונים כאשר כל השדות המגנטיים המיוצרים על ידיהם מיושרים.
לכל פיסת חומר מקרוסקופית - במילים אחרות, מדגם גדול מספיק בכדי שתוכלו לראות ולתקשר איתו - יש הרבה מקום להרבה תחומים. כיוון השדה בכל אחד מהם הוא אקראי למעשה, ולכן התחומים השונים נוטים לבטל זה את זה. לדוגמא המקרוסקופית של החומר, אם כן, לא יהיה שדה מגנטי נטו. עם זאת, אם אתה חושף את החומר לשדה מגנטי אחר, הדבר גורם לכל התחומים להתיישר איתו, וכך כולם גם יהיו מיושרים זה עם זה. כאשר זה קרה, לדוגמא המקרוסקופית של החומר יהיה שדה מגנטי, מכיוון שכל השדות הקטנים "עובדים יחד", כביכול.
המידה בה החומר שומר על יישור תחומים זה לאחר הסרת השדה החיצוני קובעת איזו חומרים שאפשר לקרוא להם "מגנטיים". חומרים פרומגנטיים הם אלה השומרים על יישור זה לאחר שיש בשדה החיצוני הוסר. כפי שאולי הסתדרת אם אתה מכיר את הטבלה המחזורית שלך, שם זה נלקח מברזל (Fe), וברזל הוא החומר הפרומגנטי הידוע ביותר.
כיצד פועלות אלקטרומגנטים?
התיאור לעיל מדגיש את המהלך הזה חשמלי חיובים מייצרים מַגנֶטִי שדות. קשר זה בין שני הכוחות חיוני להבנת אלקטרומגנטים. באותו אופן שתנועתו של אלקטרון סביב גרעין האטום מייצרת שדה מגנטי, תנועת האלקטרונים כחלק מזרם חשמלי מייצרת גם שדה מגנטי. זה התגלה על ידי האנס כריסטיאן אורסטד בשנת 1820, כאשר הבחין כי מחט המצפן הוסטה על ידי הזרם הזורם דרך חוט סמוך. באורך ישר של חוט, קווי השדה המגנטי יוצרים עיגולים קונצנטריים המקיפים את החוט.
אלקטרומגנטים מנצלים תופעה זו באמצעות סליל חוט. כאשר הזרם זורם דרך הסליל, השדה המגנטי שנוצר על ידי כל לולאה מוסיף לשדה נוצר על ידי הלולאות האחרות, ומייצר "צפון" ו"דרום "(או חיובי ושלילי) סופי. סוֹף. זהו העיקרון הבסיסי העומד בבסיס אלקטרומגנטים.
זה לבדו יספיק לייצור מגנטיות, אך אלקטרומגנטים משופרים בתוספת "ליבה". זה חומר שהחוט כרוך סביבו, ואם מדובר בחומר מגנטי, תכונותיו יתרמו לשדה המיוצר על ידי סליל חוּט. השדה המיוצר על ידי הסליל מיישר את התחומים המגנטיים בחומר, כך שגם הסליל וגם הליבה המגנטית הפיזית עובדים יחד כדי לייצר שדה חזק יותר ממה שיכול היה לבדו.
בחירת יכולת ליבה וחדירות יחסית
השאלה איזו מתכת מתאימה לליבות אלקטרומגנט נענית על ידי "החדירות היחסית" של החומר. בהקשר של אלקטרומגנטיות, חדירות החומר מתארת את יכולתו של החומר ליצור שדות מגנטיים. אם לחומר יש חדירות גבוהה יותר, אז הוא יתמגנט חזק יותר בתגובה לשדה מגנטי חיצוני.
ה"קרוב "במונח קובע סטנדרט להשוואת חדירותם של חומרים שונים. החדירות של שטח פנוי מקבלים את הסמל μ0 ומשמש במשוואות רבות העוסקות במגנטיות. זה קבוע עם הערך μ0 = 4π × 10−7 הנרי למטר. החדירות היחסית (μר) של חומר מוגדר על ידי:
μר = μ / μ0
איפה μ היא חדירות החומר המדובר. לחדירות היחסית אין יחידות; זה פשוט מספר טהור. אז אם משהו לא מגיב כלל לשדה מגנטי, יש לו חדירות יחסית של אחד, כלומר הוא מגיב באותה צורה כוואקום מוחלט, במילים אחרות, "שטח פנוי". ככל שחדירות היחס גבוהה יותר, כך תגובת המגנט גדולה יותר של חוֹמֶר.
מהו הליבה הטובה ביותר עבור אלקטרומגנט?
הליבה הטובה ביותר עבור אלקטרומגנט היא אפוא החומר בעל החדירות היחסית הגבוהה ביותר. כל חומר בעל חדירות יחסית גבוהה מאחד יגדיל את חוזקו של אלקטרומגנט כאשר הוא משמש כליבה. ניקל הוא דוגמה לחומר פרומגנטי, ויש לו חדירות יחסית בין 100 ל -600. אם השתמשת בליבת ניקל עבור אלקטרומגנט, אז כוחו של השדה המיוצר ישופר באופן דרסטי.
עם זאת, לברזל יש חדירות יחסית של 5,000 כאשר הוא טהור ב- 99.8 אחוזים, וחדירותו היחסית של ברזל רך עם טוהר 99.95 אחוז הינה 200,000 מסיבית. החדירות היחסית העצומה הזו היא הסיבה שברזל הוא הליבה הטובה ביותר עבור אלקטרומגנט. ישנם שיקולים רבים בבחירת חומר לליבה אלקטרומגנטית, כולל הסבירות לבזבוז הנובע מזרמי אדי, אך באופן כללי, ברזל הוא זול ויעיל, ולכן הוא משולב איכשהו בחומר הליבה או שהליבה עשויה מברזל טהור.
אילו חומרים משמשים בעיקר לייצור ליבות אלקטרומגנט?
חומרים רבים יכולים לעבוד כליבות אלקטרומגנט, אך חלקם הנפוצים הם ברזל, פלדה אמורפית, ברזלית קרמיקה (תרכובות קרמיות המיוצרות עם תחמוצת ברזל), פלדת סיליקון וסרט אמורפי מבוסס ברזל. באופן עקרוני, כל חומר בעל חדירות יחסית גבוהה יכול לשמש ליבת אלקטרומגנט. ישנם כמה חומרים שיוצרו במיוחד כדי לשמש ליבות לאלקטרומגנטים, כולל סגסוגת סגסוגת, עם חדירות יחסית של 8,000. דוגמה נוספת היא הננופרם על בסיס ברזל, אשר חדירותו היחסית היא 80,000.
מספרים אלה מרשימים (ושניהם חורגים מחדירות הברזל הטמאה מעט), אך המפתח לדומיננטיות של ליבות ברזל הוא באמת תערובת של חדירותם ועמידותם.