Dzelzs tiek plaši uzskatīts par labāko elektromagnēta kodolu, bet kāpēc? Tas nav vienīgais magnētiskais materiāls, un ir daudz sakausējumu, piemēram, tērauda, kurus, iespējams, sagaidāt, ka mūsdienās tos izmantos vairāk. Izpratne par to, kāpēc jūs, visticamāk, redzēsit dzelzs kodola elektromagnētu, nevis to, kas izmanto citu materiālu, sniedz īsu ievadu daudziem galvenajiem punkti par elektromagnētisma zinātni, kā arī strukturēta pieeja, lai izskaidrotu, kurus materiālus galvenokārt izmanto izgatavošanai elektromagnēti. Īsāk sakot, atbilde ir saistīta ar materiāla “caurlaidību” ar magnētiskajiem laukiem.
Izpratne par magnētismu un domēniem
Materiālu magnētisma izcelsme ir nedaudz sarežģītāka, nekā jūs domājat. Lai gan lielākā daļa cilvēku zina, ka tādām lietām kā stieņa magnēti ir "ziemeļu" un "dienvidu" stabi un ka pretējie stabi piesaista un atbilstošie stabi atgrūž, spēka izcelsme nav tik plaši izprasta. Magnētisms galu galā izriet no uzlādētu daļiņu kustības.
Elektroni "riņķo" ap saimnieka atoma kodolu nedaudz līdzīgi tam, kā planētas riņķo ap Sauli, un elektroni nes negatīvu elektrisko lādiņu. Lādētās daļiņas kustība - jūs to varat uzskatīt par apļveida cilpu, kaut arī patiesībā tas nav tik vienkārši - noved pie magnētiskā lauka izveidošanās. Šo lauku rada tikai elektrons - niecīga daļiņa, kuras masa ir aptuveni miljardā a miljardā daļa no miljarda grama - tāpēc nevajadzētu pārsteigt, ka lauks no viena elektrona nav tik liels. Tomēr tas ietekmē kaimiņu atomu elektronus un noved pie to, ka to lauki sakrīt ar sākotnējo. Tad lauks no šiem ietekmē citus elektronus, tie savukārt ietekmē citus utt. Gala rezultātā tiek izveidots neliels elektronu “domēns”, kur visi to radītie magnētiskie lauki ir izlīdzināti.
Jebkuram makroskopiskam materiāla gabalam - citiem vārdiem sakot, paraugam, kas ir pietiekami liels, lai jūs varētu redzēt un mijiedarboties, ir daudz vietas daudziem domēniem. Katra lauka virziens ir faktiski nejaušs, tāpēc dažādie domēni mēdz viens otru atcelt. Tādējādi makroskopiskajam materiāla paraugam nebūs neto magnētiskā lauka. Tomēr, ja jūs pakļaujat materiālu citam magnētiskajam laukam, tas izraisa visu domēnu pielāgošanos tam, un tāpēc tie visi arī tiks izlīdzināti viens ar otru. Kad tas būs noticis, materiāla makroskopiskajam paraugam būs magnētiskais lauks, jo visi mazie lauki, tā sakot, “darbojas kopā”.
To, cik lielā mērā materiāls saglabā šo domēnu izlīdzināšanu pēc ārējā lauka noņemšanas, nosaka kurš materiālus, kurus jūs varat saukt par “magnētiskiem”. Feromagnētiskie materiāli ir tie, kas uztur šo izlīdzināšanu pēc ārējā lauka ir noņemtas. Tā kā jūs, iespējams, esat izstrādājis, ja zināt savu periodisko tabulu, šis nosaukums ir ņemts no dzelzs (Fe), un dzelzs ir pazīstamākais feromagnētiskais materiāls.
Kā darbojas elektromagnēti?
Iepriekš aprakstā uzsvērts, ka pārvietošanās elektrisks maksas rada magnētisks lauki. Šī saikne starp abiem spēkiem ir izšķiroša, lai saprastu elektromagnētus. Tādā pašā veidā, kā elektrona kustība ap atoma kodolu rada magnētisko lauku, elektronu kustība kā daļa no elektriskās strāvas rada arī magnētisko lauku. To atklāja Hanss Kristians Oersteds 1820. gadā, kad viņš pamanīja, ka kompasa adatu novirza straume, kas plūst caur tuvējo vadu. Tiešam stieples garumam magnētiskā lauka līnijas veido koncentriskus apļus, kas ap vadu.
Elektromagnēti izmanto šo parādību, izmantojot stieples spoli. Kad strāva plūst caur spoli, katras cilpas radītais magnētiskais lauks papildina lauku ko rada citas cilpas, iegūstot galīgo “ziemeļu” un “dienvidu” (vai pozitīvo un negatīvo) beigas. Tas ir pamatprincips, kas ir elektromagnētu pamatā.
Ar to vien būtu pietiekami, lai radītu magnētismu, bet elektromagnēti tiek uzlaboti, pievienojot “kodolu”. Tas ir materiāls ka vads ir apvilkts un, ja tas ir magnētisks materiāls, tā īpašības veicinās lauka darbību, ko rada spole vads. Spoles radītais lauks izlīdzina materiāla magnētiskos domēnus, tāpēc gan spole, gan fiziskais magnētiskais kodols darbojas kopā, lai radītu spēcīgāku lauku, nekā tas varētu būt viens pats.
Pamata un relatīvās caurlaidības izvēle
Uz jautājumu par to, kurš metāls ir piemērots elektromagnēta serdeņiem, atbild materiāla “relatīvā caurlaidība”. Elektromagnētisma kontekstā materiāla caurlaidība raksturo materiāla spēju veidot magnētiskos laukus. Ja materiālam ir lielāka caurlaidība, tad tas reaģē spēcīgāk, reaģējot uz ārējo magnētisko lauku.
Termina “radinieks” nosaka standartu dažādu materiālu caurlaidības salīdzināšanai. Brīvās vietas caurlaidībai tiek piešķirts simbols μ0 un tiek izmantots daudzos vienādojumos, kas nodarbojas ar magnētismu. Tā ir konstante ar vērtību μ0 = 4π × 10−7 henrijs uz metru. Relatīvā caurlaidība (μr) materiāla definīciju nosaka:
μr = μ / μ0
Kur μ ir attiecīgās vielas caurlaidība. Relatīvajai caurlaidībai nav vienību; tas ir tikai tīrs skaitlis. Tātad, ja kaut kas vispār nereaģē uz magnētisko lauku, tam ir relatīva caurlaidība, kas nozīmē, ka tas reaģē tāpat kā pilnīgs vakuums, citiem vārdiem sakot, “brīva telpa”. Jo augstāka ir relatīvā caurlaidība, jo lielāka ir magnētiskā reakcija materiāls.
Kāds ir labākais elektromagnēta kodols?
Tāpēc labākais elektromagnēta kodols ir materiāls ar visaugstāko relatīvo caurlaidību. Jebkurš materiāls, kura relatīvā caurlaidība ir lielāka par vienu, palielinās elektromagnēta izturību, ja to izmanto kā serdi. Niķelis ir feromagnētiska materiāla piemērs, un tā relatīvā caurlaidība ir no 100 līdz 600. Ja elektromagnētam izmantotu niķeļa kodolu, radītā lauka stiprums tiktu krasi uzlabots.
Tomēr dzelzs relatīvā caurlaidība ir 5000, ja tā ir tīra par 99,8 procentiem, un mīkstā dzelzs relatīvā caurlaidība ar 99,95 procentu tīrību ir masveida 200 000. Šī milzīgā relatīvā caurlaidība ir iemesls, kāpēc dzelzs ir labākais elektromagnēta kodols. Elektromagnēta kodolam izvēloties materiālu, ir daudz apsvērumu, tostarp atkritumu iespējamība virpuļstrāvās, bet vispārīgi runājot, dzelzs ir lēts un efektīvs, tāpēc to vai nu kaut kā iestrādā kodola materiālā, vai arī serde ir izgatavota no tīra dzelzs.
Kurus materiālus visbiežāk izmanto elektromagnētu serdeņu izgatavošanai?
Daudzi materiāli var darboties kā elektromagnēta serdeņi, bet daži parastie materiāli ir dzelzs, amorfs tērauds, dzelzs keramika (keramikas savienojumi, kas izgatavoti ar dzelzs oksīdu), silīcija tērauds un amorfā lente uz dzelzs bāzes. Principā jebkuru materiālu ar augstu relatīvo caurlaidību var izmantot kā elektromagnēta kodolu. Ir daži materiāli, kas īpaši izgatavoti, lai kalpotu par elektromagnētu serdeņiem, ieskaitot permalloy, kura relatīvā caurlaidība ir 8000. Cits piemērs ir dzelzs bāzes Nanoperm, kura relatīvā caurlaidība ir 80 000.
Šie skaitļi ir iespaidīgi (un abi pārsniedz nedaudz netīras dzelzs caurlaidību), taču dzelzs serdeņu dominēšanas atslēga patiešām ir to caurlaidības un pieejamības sajaukums.