Waarom is ijzer de beste kern voor een elektromagneet?

IJzer wordt algemeen beschouwd als de beste kern voor een elektromagneet, maar waarom? Het is niet het enige magnetische materiaal en er zijn tal van legeringen zoals staal waarvan je zou verwachten dat ze in de moderne tijd meer zullen worden gebruikt. Als u begrijpt waarom u eerder een elektromagneet met een ijzeren kern ziet dan een elektromagneet met een ander materiaal, krijgt u een korte introductie van veel belangrijke punten over de wetenschap van elektromagnetisme, evenals een gestructureerde benadering om uit te leggen welke materialen het meest worden gebruikt voor het maken elektromagneten. Het antwoord komt kort gezegd neer op de "permeabiliteit" van het materiaal voor magnetische velden.

De oorsprong van magnetisme in materialen is iets complexer dan je zou denken. Hoewel de meeste mensen weten dat dingen zoals staafmagneten "noord" en "zuid" polen hebben, en dat tegengestelde polen elkaar aantrekken en bijpassende polen afstoten, is de oorsprong van de kracht niet zo algemeen begrepen. Magnetisme komt uiteindelijk voort uit de beweging van geladen deeltjes.

Elektronen "cirkelen" de kern van het gastatoom een ​​beetje zoals planeten om de zon draaien, en elektronen dragen een negatieve elektrische lading. De beweging van het geladen deeltje – je kunt het zien als een cirkelvormige lus, hoewel het niet zo eenvoudig is – leidt tot het ontstaan ​​van een magnetisch veld. Dit veld wordt alleen gegenereerd door een elektron - een klein deeltje met een massa van ongeveer een miljardste van a miljardste van een miljardste gram - dus het zou je niet moeten verbazen dat het veld van een enkel elektron dat niet is zo groot. Het beïnvloedt echter wel elektronen in naburige atomen en leidt ertoe dat hun velden op één lijn liggen met de oorspronkelijke. Dan beïnvloedt het veld van deze andere elektronen, die op hun beurt weer andere beïnvloeden, enzovoort. Het eindresultaat is de creatie van een klein "domein" van elektronen waar alle magnetische velden die door hen worden geproduceerd, zijn uitgelijnd.

Elk macroscopisch stukje materiaal - met andere woorden, een monster dat groot genoeg is om te zien en mee te werken - heeft voldoende ruimte voor veel domeinen. De richting van het veld in elk is in feite willekeurig, dus de verschillende domeinen hebben de neiging elkaar op te heffen. Het macroscopische materiaalmonster zal daarom geen netto magnetisch veld hebben. Als je het materiaal echter blootstelt aan een ander magnetisch veld, zorgt dit ervoor dat alle domeinen ermee worden uitgelijnd, en dus zullen ze ook allemaal met elkaar worden uitgelijnd. Wanneer dit is gebeurd, zal het macroscopische monster van het materiaal een magnetisch veld hebben, omdat alle kleine velden als het ware "samenwerken", om zo te zeggen.

De mate waarin een materiaal deze uitlijning van domeinen handhaaft nadat het externe veld is verwijderd, bepaalt welke materialen die u 'magnetisch' kunt noemen. Ferromagnetische materialen zijn degenen die deze uitlijning behouden nadat het externe veld heeft verwijderd. Zoals je misschien hebt ontdekt als je je periodiek systeem kent, is deze naam ontleend aan ijzer (Fe), en ijzer is het bekendste ferromagnetische materiaal.

De beschrijving hierboven benadrukt dat bewegen elektrisch ladingen produceren magnetisch velden. Deze link tussen de twee krachten is cruciaal voor het begrijpen van elektromagneten. Op dezelfde manier als de beweging van een elektron rond de kern van een atoom een ​​magnetisch veld produceert, produceert de beweging van elektronen als onderdeel van een elektrische stroom ook een magnetisch veld. Dit werd ontdekt door Hans Christian Oersted in 1820, toen hij merkte dat de naald van een kompas werd afgebogen door de stroom die door een nabijgelegen draad vloeide. Voor een rechte draadlengte vormen de magnetische veldlijnen concentrische cirkels die de draad omringen.

Elektromagneten maken gebruik van dit fenomeen door een draadspoel te gebruiken. Terwijl de stroom door de spoel vloeit, wordt het magnetische veld dat door elke lus wordt gegenereerd, toegevoegd aan het veld gegenereerd door de andere lussen, waardoor een definitief "noord" en "zuid" (of positief en negatief) wordt geproduceerd einde. Dit is het basisprincipe dat ten grondslag ligt aan elektromagneten.

Dit alleen zou voldoende zijn om magnetisme te produceren, maar elektromagneten worden verbeterd door de toevoeging van een "kern". Dit is een materiaal dat de draad eromheen is gewikkeld, en als het een magnetisch materiaal is, zullen de eigenschappen ervan bijdragen aan het veld dat wordt geproduceerd door de spoel van draad. Het veld dat door de spoel wordt geproduceerd, lijnt de magnetische domeinen in het materiaal uit, zodat zowel de spoel als de fysieke magnetische kern samenwerken om een ​​sterker veld te produceren dan elk afzonderlijk zou kunnen.

De vraag welk metaal geschikt is voor elektromagneetkernen wordt beantwoord door de "relatieve permeabiliteit" van het materiaal. In de context van elektromagnetisme beschrijft de permeabiliteit van het materiaal het vermogen van het materiaal om magnetische velden te vormen. Als een materiaal een hogere permeabiliteit heeft, zal het sterker magnetiseren als reactie op een extern magnetisch veld.

Het "relatief" in de term stelt een norm voor het vergelijken van de permeabiliteit van verschillende materialen. De doorlaatbaarheid van vrije ruimte krijgt het symbool μ₀ en wordt gebruikt in veel vergelijkingen die te maken hebben met magnetisme. Het is een constante met de waarde μ₀ = 4π × 10⁻⁷ Hendriks per meter. De relatieve permeabiliteit (μ_r) van een materiaal wordt gedefinieerd door:

μ_r = μ / μ₀

Waar μ is de permeabiliteit van de betreffende stof. De relatieve permeabiliteit heeft geen eenheden; het is gewoon een puur getal. Dus als iets helemaal niet reageert op een magnetisch veld, heeft het een relatieve permeabiliteit van één, wat betekent dat het op dezelfde manier reageert als een compleet vacuüm, met andere woorden, "vrije ruimte". Hoe hoger de relatieve permeabiliteit, hoe groter de magnetische respons van de materiaal.

De beste kern voor een elektromagneet is daarom het materiaal met de hoogste relatieve permeabiliteit. Elk materiaal met een relatieve permeabiliteit hoger dan één zal de sterkte van een elektromagneet verhogen wanneer deze als kern wordt gebruikt. Nikkel is een voorbeeld van een ferromagnetisch materiaal en heeft een relatieve permeabiliteit tussen 100 en 600. Als je een nikkelen kern voor een elektromagneet zou gebruiken, zou de sterkte van het geproduceerde veld drastisch worden verbeterd.

IJzer heeft echter een relatieve permeabiliteit van 5.000 wanneer het 99,8 procent zuiver is, en de relatieve permeabiliteit van zacht ijzer met een zuiverheid van 99,95 procent is een enorme 200.000. Deze enorme relatieve permeabiliteit is de reden waarom ijzer de beste kern is voor een elektromagneet. Er zijn veel overwegingen bij het kiezen van een materiaal voor een elektromagneetkern, waaronder de kans op verspilling als gevolg van wervelstromen, maar over het algemeen is ijzer goedkoop en effectief, dus het is ofwel op de een of andere manier verwerkt in het kernmateriaal of de kern is gemaakt van puur ijzer.

Veel materialen kunnen werken als elektromagneetkernen, maar enkele veelvoorkomende zijn ijzer, amorf staal, ferro keramiek (keramische verbindingen die zijn gemaakt met ijzeroxide), siliciumstaal en amorfe tape op ijzerbasis. In principe kan elk materiaal met een hoge relatieve permeabiliteit als elektromagneetkern worden gebruikt. Er zijn enkele materialen die speciaal zijn gemaakt om als kernen voor elektromagneten te dienen, waaronder permalloy, dat een relatieve permeabiliteit van 8.000 heeft. Een ander voorbeeld is het op ijzer gebaseerde Nanoperm, dat een relatieve permeabiliteit van 80.000 heeft.

Deze cijfers zijn indrukwekkend (en beide overtreffen de permeabiliteit van licht onzuiver ijzer), maar de sleutel tot de dominantie van ijzeren kernen is eigenlijk een combinatie van hun permeabiliteit en hun betaalbaarheid.