Hvorfor er jern den beste kjernen for en elektromagnet?

Jern blir ansett som den beste kjernen for en elektromagnet, men hvorfor? Det er ikke det eneste magnetiske materialet, og det er mange legeringer som stål som du kan forvente å bli brukt mer i moderne tid. Å forstå hvorfor det er mer sannsynlig at du ser en jernkjerne-elektromagnet enn en som bruker et annet materiale, gir deg en kort introduksjon til mange nøkkel poeng om vitenskapen om elektromagnetisme, samt en strukturert tilnærming til å forklare hvilke materialer som mest brukes til å lage elektromagneter. Svaret kommer kort sagt ned på materialets "permeabilitet" for magnetfelt.

Opprinnelsen til magnetisme i materialer er litt mer kompleks enn du kanskje tror. Mens de fleste vet at ting som stangmagneter har “nord” og “sør” pol, og at motsatte poler tiltrekker seg og matchende poler frastøter, er ikke opprinnelsen til styrken like bredt forstått. Magnetisme stammer til slutt fra bevegelsen av ladede partikler.

Elektroner “kretser” om kernen til vertsatomet litt som hvordan planeter kretser rundt solen, og elektroner bærer en negativ elektrisk ladning. Bevegelsen til den ladede partikkelen - du kan tenke på den som en sirkulær sløyfe, selv om den ikke egentlig er så enkel - fører til dannelsen av et magnetfelt. Dette feltet genereres bare av et elektron - en liten partikkel med en masse på omtrent en milliarddel av en milliardedels milliardedels gram - så det bør ikke overraske deg at feltet fra et enkelt elektron ikke er det så stor. Imidlertid påvirker det elektroner i nærliggende atomer og fører til at feltene deres samsvarer med den opprinnelige. Så påvirker feltet fra disse andre elektronene, de påvirker igjen andre og så videre. Sluttresultatet er opprettelsen av et lite "domene" av elektroner der alle magnetfeltene produsert av dem er justert.

Enhver makroskopisk materiale - med andre ord, en prøve som er stor nok til at du kan se og samhandle med - har god plass til mange domener. Retningen til feltet i hver enkelt er effektivt tilfeldig, så de forskjellige domenene har en tendens til å avbryte hverandre. Den makroskopiske materialprøven vil derfor ikke ha nettomagnetisk felt. Imidlertid, hvis du utsetter materialet for et annet magnetfelt, fører dette til at alle domenene stemmer overens med det, og slik at de også vil være på linje med hverandre. Når dette har skjedd, vil den makroskopiske prøven av materialet ha et magnetfelt, fordi alle de små feltene "jobber sammen", for å si det sånn.

I hvilken grad et materiale opprettholder denne justeringen av domener etter at det eksterne feltet er fjernet, avgjør hvilken materialer du kan kalle "magnetisk". Ferromagnetiske materialer er de som opprettholder denne justeringen etter at det eksterne feltet har blitt fjernet. Som du kanskje har trent hvis du kjenner det periodiske systemet ditt, er dette navnet hentet fra jern (Fe), og jern er det mest kjente ferromagnetiske materialet.

Beskrivelsen over understreker den flyttingen elektrisk kostnader produserer magnetisk Enger. Denne koblingen mellom de to kreftene er avgjørende for å forstå elektromagneter. På samme måte som bevegelsen til et elektron rundt kjernen til et atom produserer et magnetfelt, produserer også bevegelsen til elektroner som en del av en elektrisk strøm et magnetfelt. Dette ble oppdaget av Hans Christian Oersted i 1820, da han la merke til at nålen til et kompass ble avbøyd av strømmen som strømmer gjennom en ledning i nærheten. For en rett ledningslengde danner magnetfeltlinjene konsentriske sirkler som omgir ledningen.

Elektromagneter utnytter dette fenomenet ved å bruke en trådspole. Når strømmen strømmer gjennom spolen, legger magnetfeltet som genereres av hver sløyfe til feltet generert av de andre sløyfene, og produserer et definitivt “nord” og “sør” (eller positivt og negativt) slutt. Dette er det grunnleggende prinsippet som ligger til grunn for elektromagneter.

Dette alene ville være nok til å produsere magnetisme, men elektromagneter forbedres med tillegg av en "kjerne". Dette er et materiale at ledningen er viklet rundt, og hvis det er et magnetisk materiale, vil dens egenskaper bidra til feltet produsert av spolen av metalltråd. Feltet produsert av spolen justerer de magnetiske domenene i materialet, så både spolen og den fysiske magnetiske kjernen jobber sammen for å produsere et sterkere felt enn noen av dem alene.

Spørsmålet om hvilket metall som er egnet for elektromagnetkjerner, blir besvart av materialets "relative permeabilitet". I sammenheng med elektromagnetisme beskriver permeabiliteten til materialet materialets evne til å danne magnetfelt. Hvis et materiale har høyere permeabilitet, vil det magnetisere sterkere som svar på et eksternt magnetfelt.

Den "relative" i begrepet setter en standard for sammenligning av permeabiliteten til forskjellige materialer. Permeabiliteten til ledig plass er gitt symbolet μ₀ og brukes i mange ligninger som omhandler magnetisme. Det er en konstant med verdien μ₀ = 4π × 10⁻⁷ henries per meter. Den relative permeabiliteten (μ_r) av et materiale er definert av:

μ_r = μ / μ₀

Hvor μ er permeabiliteten til det aktuelle stoffet. Den relative permeabiliteten har ingen enheter; det er bare et rent tall. Så hvis noe ikke reagerer i det hele tatt på et magnetfelt, har det en relativ permeabilitet på ett, noe som betyr at det reagerer på samme måte som et fullstendig vakuum, med andre ord, "ledig plass." Jo høyere relativ permeabilitet, jo større er magnetisk respons av materiale.

Den beste kjernen for en elektromagnet er derfor materialet med den høyeste relative permeabiliteten. Ethvert materiale med en høyere permeabilitet enn en vil øke styrken til en elektromagnet når den brukes som en kjerne. Nikkel er et eksempel på et ferromagnetisk materiale, og det har en relativ permeabilitet på mellom 100 og 600. Hvis du brukte en nikkelkjerne til en elektromagnet, ville styrken på det produserte feltet bli drastisk forbedret.

Imidlertid har jern en relativ permeabilitet på 5000 når det er 99,8 prosent rent, og den relative permeabiliteten til mykt jern med 99,95 prosent renhet er en massiv 200.000. Denne enorme relative permeabiliteten er grunnen til at jern er den beste kjernen for en elektromagnet. Det er mange hensyn når du velger et materiale for en elektromagnetkjerne, inkludert sannsynligheten for svinn som følge av virvelstrømmer, men generelt sett er jern billig og effektivt, så det er på en eller annen måte innlemmet i kjernematerialet eller så er kjernen laget av rent jern.

Mange materialer kan fungere som elektromagnetkjerner, men noen vanlige er jern, amorft stål, jernholdig keramikk (keramiske forbindelser som er laget av jernoksid), silisiumstål og jernbasert amorf tape. I prinsippet kan ethvert materiale med høy relativ permeabilitet brukes som en elektromagnetkjerne. Det er noen materialer som er laget spesielt for å tjene som kjerner for elektromagneter, inkludert permalloy, som har en relativ permeabilitet på 8000. Et annet eksempel er den jernbaserte Nanoperm, som har en relativ permeabilitet på 80.000.

Disse tallene er imponerende (og begge overgår permeabiliteten til lett urent jern), men nøkkelen til jernkjerners dominans er egentlig en blanding av permeabilitet og overkommelig pris.