鉄は電磁石の最良のコアと広く見なされていますが、なぜですか？ 磁性材料はそれだけではありません。現代ではもっと使われると思われる鋼などの合金がたくさんあります。 別の材料を使用した電磁石よりも鉄心電磁石が見られる可能性が高い理由を理解すると、多くの重要な点を簡単に紹介できます。 電磁気学の科学についてのポイント、およびどの材料が主に製造に使用されるかを説明するための構造化されたアプローチ 電磁石。 要するに、答えは磁場に対する材料の「透磁率」に帰着します。
磁性とドメインを理解する
材料の磁性の起源は、あなたが思っているよりも少し複雑です。 ほとんどの人は、棒磁石のようなものには「北」と「南」の極があり、反対の極が引き付けられ、一致する極が反発することを知っていますが、力の起源はそれほど広く理解されていません。 磁性は、最終的には荷電粒子の運動から生じます。
電子は、惑星が太陽を周回するのと少し似て、ホスト原子の核を「周回」し、電子は負の電荷を運びます。 荷電粒子の動きは、それほど単純ではありませんが、円形のループと考えることができますが、磁場の生成につながります。 この場は電子によってのみ生成されます–質量が約10億分の1の小さな粒子 グラムの10億分の1–したがって、単一の電子からの場がそうではないことは驚くべきことではありません。 その大きな。 ただし、隣接する原子の電子に影響を与え、元の原子と整列するフィールドにつながります。 次に、これらからの場が他の電子に影響を与え、次にそれらは他の電子に影響を与えます。 最終結果は、電子によって生成されたすべての磁場が整列する電子の小さな「ドメイン」の作成です。
巨視的な素材、つまり、見たり操作したりするのに十分な大きさのサンプルには、多くのドメインのための十分な余地があります。 それぞれのフィールドの方向は事実上ランダムであるため、さまざまなドメインが互いに打ち消し合う傾向があります。 したがって、巨視的な材料のサンプルには正味の磁場がありません。 ただし、材料を別の磁場にさらすと、すべてのドメインがその材料と整列するため、それらもすべて互いに整列します。 これが起こったとき、材料の巨視的なサンプルは磁場を持っています。なぜなら、小さな磁場はすべて、いわば「一緒に働いている」からです。
外部フィールドが削除された後、材料がドメインのこの整列を維持する程度によって、 「磁性」と呼べる素材。 強磁性体は、外部磁場が発生した後もこの整列を維持する材料です。 削除されました。 周期表を知っていればわかるかもしれませんが、この名前は鉄（Fe）に由来し、鉄は最もよく知られている強磁性体です。
電磁石はどのように機能しますか？
上記の説明は、移動することを強調しています 電気の 電荷が生成します 磁気 田畑。 2つの力の間のこのリンクは、電磁石を理解するために重要です。 原子核の周りの電子の動きが磁場を生成するのと同じように、電流の一部としての電子の動きも磁場を生成します。 これは、1820年にハンスクリスチャンエルステッドが近くのワイヤーを流れる電流によってコンパスの針が曲がっていることに気づいたときに発見されました。 直線の長さのワイヤーの場合、磁力線はワイヤーを囲む同心円を形成します。
電磁石は、ワイヤーのコイルを使用してこの現象を利用します。 電流がコイルを流れると、各ループによって生成された磁場が磁場に追加されます 他のループによって生成され、決定的な「北」と「南」（または正と負）を生成します 終わり。 これが電磁石を支える基本原理です。
これだけで磁気を発生させることができますが、電磁石は「コア」を追加することで改善されます。 これは素材です ワイヤーが巻き付けられていること、そしてそれが磁性材料である場合、その特性はのコイルによって生成される場に貢献します ワイヤー。 コイルによって生成された磁場は、材料の磁区を整列させるため、コイルと物理的な磁気コアの両方が連携して、どちらか一方だけの場合よりも強い磁場を生成します。
コアと相対透磁率の選択
どの金属が電磁石のコアに適しているかという問題は、材料の「比透磁率」によって答えられます。 電磁気学の文脈では、材料の透磁率は、磁場を形成する材料の能力を表します。 材料の透磁率が高いと、外部磁場に反応してより強く磁化されます。
この用語の「相対」は、さまざまな材料の透磁率を比較するための基準を設定します。 自由空間の透磁率には記号が付けられています μ0 磁性を扱う多くの方程式で使用されます。 値が付いた定数です μ0 = 4π × 10−7 メートルあたりのヘンリー。 比透磁率（μr）の材料は次のように定義されます。
μr = μ / μ0
どこ μ 問題の物質の透過性です。 比透磁率には単位がありません。 単なる数字です。 したがって、何かが磁場にまったく反応しない場合、その比透磁率は1になります。つまり、同じように反応します。 完全な真空、言い換えれば「自由空間」として。 比透磁率が高いほど、磁気応答が大きくなります。 材料。
電磁石に最適なコアは何ですか？
したがって、電磁石に最適なコアは、比透磁率が最も高い材料です。 比透磁率が1より大きい材料は、コアとして使用したときに電磁石の強度を高めます。 ニッケルは強磁性体の一例であり、比透磁率は100〜600です。 電磁石にニッケルコアを使用すると、生成される電界の強度が大幅に向上します。
しかし、鉄の比透磁率は、純度99.8％の場合は5,000であり、純度99.95％の軟鉄の比透磁率は200,000と非常に大きいです。 この巨大な比透磁率が、鉄が電磁石の最良のコアである理由です。 電磁石コアの材料を選択する際には、渦電流に起因する浪費の可能性など、多くの考慮事項があります。 しかし、一般的に言って、鉄は安価で効果的であるため、何らかの形でコア材料に組み込まれるか、コアが純鉄で作られます。
電磁石コアの製造に主に使用されている材料はどれですか？
多くの材料が電磁石のコアとして機能しますが、いくつかの一般的な材料は鉄、アモルファス鋼、鉄です セラミック（酸化鉄で作られたセラミック化合物）、ケイ素鋼、鉄ベースのアモルファステープ。 原則として、比透磁率の高い任意の材料を電磁石のコアとして使用できます。 相対透磁率が8,000のパーマロイなど、電磁石のコアとして特別に作られた材料がいくつかあります。 もう1つの例は、80,000の比透磁率を持つ鉄ベースのNanopermです。
これらの数値は印象的です（そして両方ともわずかに不純な鉄の透磁率を超えています）が、鉄心の優位性の鍵は実際にはそれらの透磁率と手頃な価格の混合です。