Geležis yra plačiai vertinama kaip geriausia elektromagneto šerdis, bet kodėl? Tai nėra vienintelė magnetinė medžiaga, ir yra daugybė lydinių, tokių kaip plienas, kuriuos galite tikėtis naudoti daugiau šiuolaikiniame amžiuje. Suprasdami, kodėl dažniau matote geležies šerdies elektromagnetą, nei naudodami kitą medžiagą, galite trumpai supažindinti su daugeliu raktų taškų apie elektromagnetizmo mokslą, taip pat struktūrizuotą požiūrį paaiškinant, kurios medžiagos dažniausiai naudojamos elektromagnetai. Trumpai tariant, atsakymas susijęs su medžiagos „pralaidumu“ magnetiniams laukams.
Magnetizmo ir domenų supratimas
Medžiagų magnetizmo kilmė yra šiek tiek sudėtingesnė, nei galite pagalvoti. Nors dauguma žmonių žino, kad tokie dalykai kaip juostiniai magnetai turi „šiaurinį“ ir „pietinį“ ašis, o priešingi ašigaliai traukia ir atitinka stulpus, jėgos kilmė nėra taip plačiai suprantama. Magnetizmas galiausiai kyla iš įkrautų dalelių judėjimo.
Elektronai „skrieja aplink šeimininko atomo branduolį“ šiek tiek panašiai kaip planetos skrieja aplink Saulę, o elektronai neša neigiamą elektros krūvį. Įkrautos dalelės judėjimas - galite galvoti apie tai kaip apie apskritą kilpą, nors iš tikrųjų tai nėra taip paprasta - sukelia magnetinio lauko sukūrimą. Šį lauką sukuria tik elektronas - mažytė dalelė, kurios masė yra apie milijardą a milijardas milijardo gramo dalies, todėl neturėtų stebinti, kad vieno elektrono laukas nėra kad didelis. Tačiau tai daro įtaką kaimyninių atomų elektronams ir veda į jų laukų derinimąsi su pradiniu. Tada laukas nuo šių įtakoja kitus elektronus, jie savo ruožtu daro įtaką kitiems ir pan. Galutinis rezultatas yra mažo elektronų „domeno“ sukūrimas, kuriame visi jų sukurti magnetiniai laukai yra išlyginti.
Bet kokia makroskopinė medžiagos dalis - kitaip tariant, pakankamai didelis pavyzdys, kad galėtumėte pamatyti ir bendrauti - turi daug vietos daugybei sričių. Kiekvieno lauko kryptis yra faktiškai atsitiktinė, todėl įvairios sritys linkusios viena kitą panaikinti. Taigi makroskopinis medžiagos pavyzdys neturės grynojo magnetinio lauko. Tačiau jei medžiagą atskleisite kitam magnetiniam laukui, tai sukels visas sritis su ja, todėl visos jos taip pat bus sulygiuotos viena su kita. Kai tai įvyks, makroskopinis medžiagos pavyzdys turės magnetinį lauką, nes visi maži laukai, taip sakant, „veikia kartu“.
Tai, kiek medžiaga palaiko šį domenų derinimą pašalinus išorinį lauką, lemia kurį medžiagos, kurias galite vadinti „magnetinėmis“. Feromagnetinės medžiagos yra tokios, kurios palaiko šį išlyginimą po išorinio lauko buvo pašalinti. Kadangi galbūt išsiaiškinote, jei žinote savo periodinę lentelę, šis vardas paimtas iš geležies (Fe), o geležis yra geriausiai žinoma feromagnetinė medžiaga.
Kaip veikia elektromagnetai?
Aukščiau pateiktame aprašyme pabrėžiama, kad juda elektrinis mokesčiai gamina magnetinis laukai. Šis ryšys tarp dviejų jėgų yra labai svarbus norint suprasti elektromagnetus. Lygiai taip pat, kaip elektrono judėjimas aplink atomo branduolį sukuria magnetinį lauką, elektronų judėjimas kaip elektros srovės dalis taip pat sukuria magnetinį lauką. Tai atrado Hansas Christianas Oerstedas 1820 m., Kai pastebėjo, kad kompaso adatą nukreipė netoliese esančia viela tekanti srovė. Tiesaus ilgio vielai magnetinio lauko linijos suformuoja koncentrinius apskritimus, juosiančius laidą.
Elektromagnetai išnaudoja šį reiškinį naudodami vielos ritę. Srovei tekant per ritę, kiekvienos kilpos sukurtas magnetinis laukas papildo lauką sukurtas kitų kilpų, gaunant galutinius „šiaurinius“ ir „pietinius“ (arba teigiamus ir neigiamus) galas. Tai yra pagrindinis principas, kuriuo grindžiami elektromagnetai.
Vien to pakaktų magnetizmui sukelti, tačiau elektromagnetai yra patobulinti, pridedant „šerdį“. Tai yra medžiaga kad viela yra apvyniota ir jei tai yra magnetinė medžiaga, jos savybės prisidės prie lauko, kurį sukuria ritė viela. Ritės sukurtas laukas išlygina medžiagos magnetines sritis, todėl tiek ritė, tiek fizinė magnetinė šerdis kartu sukuria stipresnį lauką, nei vienas iš jų galėtų.
Pagrindinio ir santykinio pralaidumo pasirinkimas
Į klausimą, kuris metalas tinka elektromagnetinėms šerdims, atsako medžiagos „santykinis pralaidumas“. Elektromagnetizmo kontekste medžiagos pralaidumas apibūdina medžiagos gebėjimą formuoti magnetinius laukus. Jei medžiaga turi didesnį pralaidumą, ji stipriau įmagnetins, reaguodama į išorinį magnetinį lauką.
Termino „giminaitis“ nustato skirtingų medžiagų pralaidumo palyginimo standartą. Laisvos vietos pralaidumui suteikiamas simbolis μ0 ir yra naudojamas daugelyje lygių, susijusių su magnetizmu. Tai yra konstanta su verte μ0 = 4π × 10−7 henrijų metrui. Santykinis pralaidumas (μr) medžiagos apibrėžimas:
μr = μ / μ0
Kur μ yra nagrinėjamos medžiagos pralaidumas. Santykinis pralaidumas neturi vienetų; tai tik grynas skaičius. Taigi, jei kažkas visiškai neatsako į magnetinį lauką, jo santykinis pralaidumas yra vienas, o tai reiškia, kad jis reaguoja tuo pačiu kaip visiškas vakuumas, kitaip tariant, „laisva erdvė“. Kuo didesnis santykinis pralaidumas, tuo didesnis magnetinis atsakas medžiaga.
Koks yra geriausias elektromagneto branduolys?
Geriausia elektromagneto šerdis yra medžiaga, kurios santykinis pralaidumas yra didžiausias. Bet kokia medžiaga, kurios santykinis pralaidumas yra didesnis nei vienas, padidins elektromagneto stiprumą, kai bus naudojamas kaip šerdis. Nikelis yra feromagnetinės medžiagos pavyzdys, jo santykinis pralaidumas yra nuo 100 iki 600. Jei elektromagnetui naudojote nikelio šerdį, sukurto lauko stipris būtų smarkiai pagerintas.
Tačiau geležies santykinis pralaidumas yra 5000, kai jos grynumas yra 99,8 proc., O minkštosios geležies - 99,95 proc. Grynumo - santykinis pralaidumas yra didžiulis 200 000. Dėl šio didžiulio santykinio pralaidumo geležis yra geriausia elektromagneto šerdis. Renkantis elektromagneto šerdies medžiagą, yra daugybė priežasčių, įskaitant švaistymo tikimybę dėl sūkurinių srovių, bet paprastai tariant, geležis yra pigi ir efektyvi, todėl ji arba yra kažkaip įterpta į šerdies medžiagą, arba šerdis pagaminta iš grynos geležies.
Kurios medžiagos dažniausiai naudojamos gaminant elektromagnetines šerdis?
Daugelis medžiagų gali veikti kaip elektromagnetinės šerdys, tačiau kai kurios įprastos yra geležis, amorfinis plienas, juodieji metalai keramika (keramikos junginiai, pagaminti iš geležies oksido), silicio plienas ir geležies pagrindu pagaminta amorfinė juosta. Iš esmės bet kokia medžiaga, kurios santykinis pralaidumas yra didelis, gali būti naudojama kaip elektromagneto šerdis. Yra keletas medžiagų, kurios buvo specialiai sukurtos tam, kad tarnautų kaip elektromagnetų šerdys, įskaitant permolydą, kurio santykinis pralaidumas yra 8000. Kitas pavyzdys yra geležies pagrindu pagamintas „Nanoperm“, kurio santykinis pralaidumas yra 80 000.
Šie skaičiai yra įspūdingi (ir abu viršija šiek tiek nešvarios geležies pralaidumą), tačiau raktas į geležies šerdžių dominavimą iš tikrųjų yra jų pralaidumo ir prieinamumo mišinys.