Dlaczego żelazo jest najlepszym rdzeniem elektromagnesu?

Żelazo jest powszechnie uważane za najlepszy rdzeń elektromagnesu, ale dlaczego? Nie jest to jedyny materiał magnetyczny i istnieje wiele stopów, takich jak stal, których można oczekiwać, że będą częściej używane w dzisiejszych czasach. Zrozumienie, dlaczego jest bardziej prawdopodobne, że zobaczysz elektromagnes z żelaznym rdzeniem niż ten, który używa innego materiału, daje krótkie wprowadzenie do wielu kluczy punkty dotyczące nauki o elektromagnetyzmie, a także ustrukturyzowanego podejścia do wyjaśnienia, które materiały są najczęściej używane do produkcji elektromagnesy. Krótko mówiąc, odpowiedź sprowadza się do „przepuszczalności” materiału dla pól magnetycznych.

Pochodzenie magnetyzmu w materiałach jest nieco bardziej złożone, niż mogłoby się wydawać. Podczas gdy większość ludzi wie, że magnesy sztabkowe mają bieguny „północny” i „południowy”, a przeciwne bieguny przyciągają, a pasujące bieguny odpychają, pochodzenie siły nie jest tak powszechnie rozumiane. Magnetyzm ostatecznie wynika z ruchu naładowanych cząstek.

Elektrony „krążą” wokół jądra atomu macierzystego trochę tak, jak planety krążą wokół Słońca, a elektrony przenoszą ujemny ładunek elektryczny. Ruch naładowanej cząstki – możesz myśleć o niej jako o kołowej pętli, chociaż nie jest to takie proste – prowadzi do wytworzenia pola magnetycznego. To pole jest generowane tylko przez elektron – maleńką cząsteczkę o masie około jednej miliardowej części miliardowa z miliardowej części grama – więc nie powinno Cię dziwić, że pole z pojedynczego elektronu nie jest taki duży. Wpływa jednak na elektrony w sąsiednich atomach i prowadzi do wyrównania ich pól z pierwotnym. Następnie pole z nich wpływa na inne elektrony, a one z kolei wpływają na inne i tak dalej. Efektem końcowym jest stworzenie małej „domeny” elektronów, w której wszystkie wytwarzane przez nie pola magnetyczne są wyrównane.

Każdy makroskopowy fragment materiału – innymi słowy, próbka wystarczająco duża, abyś mógł ją zobaczyć i z którą możesz wchodzić w interakcje – ma dużo miejsca na wiele domen. Kierunek pola w każdym z nich jest w rzeczywistości losowy, więc różne domeny mają tendencję do wzajemnego znoszenia się. Zatem makroskopowa próbka materiału nie będzie miała netto pola magnetycznego. Jeśli jednak wystawisz materiał na działanie innego pola magnetycznego, spowoduje to, że wszystkie domeny zrównają się z nim, a więc wszystkie również zostaną wyrównane ze sobą. Kiedy tak się stanie, makroskopowa próbka materiału będzie miała pole magnetyczne, ponieważ wszystkie małe pola „współpracują”, że tak powiem.

Stopień, w jakim materiał zachowuje to wyrównanie domen po usunięciu pola zewnętrznego, określa, które: materiały, które można nazwać „magnetycznymi”. Materiały ferromagnetyczne to takie, które zachowują to wyrównanie po tym, jak pole zewnętrzne został usunięty. Jak mogłeś się domyślić, znając swój układ okresowy pierwiastków, nazwa ta pochodzi od żelaza (Fe), a żelazo jest najbardziej znanym materiałem ferromagnetycznym.

Powyższy opis podkreśla, że ​​poruszanie się elektryczny ładunki produkują magnetyczny pola. To połączenie między tymi dwiema siłami ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia elektromagnesów. W ten sam sposób, w jaki ruch elektronu wokół jądra atomu wytwarza pole magnetyczne, ruch elektronów jako część prądu elektrycznego również wytwarza pole magnetyczne. Odkrył to Hans Christian Oersted w 1820 roku, kiedy zauważył, że igła kompasu została odchylona przez prąd płynący przez pobliski drut. W przypadku prostego odcinka drutu linie pola magnetycznego tworzą koncentryczne okręgi otaczające drut.

Elektromagnesy wykorzystują to zjawisko za pomocą zwoju drutu. Gdy prąd przepływa przez cewkę, pole magnetyczne generowane przez każdą pętlę dodaje się do pola generowane przez inne pętle, tworząc definitywną „północ” i „południe” (lub pozytywną i negatywną) koniec. To podstawowa zasada, na której opierają się elektromagnesy.

Samo to wystarczyłoby do wytworzenia magnetyzmu, ale elektromagnesy są ulepszane przez dodanie „rdzenia”. To jest materiał że drut jest owinięty dookoła, a jeśli jest to materiał magnetyczny, jego właściwości przyczynią się do pola wytwarzanego przez cewkę drut. Pole wytwarzane przez cewkę wyrównuje domeny magnetyczne w materiale, więc zarówno cewka, jak i fizyczny rdzeń magnetyczny współpracują ze sobą, aby wytworzyć silniejsze pole, niż którekolwiek z nich mogłoby samodzielnie.

Na pytanie, który metal nadaje się na rdzenie elektromagnesów, odpowiada „względna przepuszczalność” materiału. W kontekście elektromagnetyzmu przepuszczalność materiału opisuje zdolność materiału do tworzenia pól magnetycznych. Jeśli materiał ma wyższą przepuszczalność, wówczas namagnesuje się silniej w odpowiedzi na zewnętrzne pole magnetyczne.

„Względny” w tym pojęciu wyznacza standard dla porównania przepuszczalności różnych materiałów. Przepuszczalność wolnej przestrzeni jest oznaczona symbolem μ₀ i jest używany w wielu równaniach dotyczących magnetyzmu. Jest stałą o wartości μ₀ = 4π × 10⁻⁷ henry za metr. Względna przepuszczalność (μ_r) materiału określa:

μ_r = μ / μ₀

Gdzie μ jest przepuszczalność danej substancji. Przepuszczalność względna nie ma jednostek; to tylko czysta liczba. Więc jeśli coś w ogóle nie reaguje na pole magnetyczne, ma względną przepuszczalność wynoszącą jeden, co oznacza, że ​​reaguje w ten sam sposób jako kompletna próżnia, innymi słowy „wolna przestrzeń”. Im wyższa przepuszczalność względna, tym większa odpowiedź magnetyczna materiał.

Najlepszym rdzeniem dla elektromagnesu jest zatem materiał o najwyższej przepuszczalności względnej. Każdy materiał o względnej przepuszczalności większej niż jeden zwiększy wytrzymałość elektromagnesu, gdy zostanie użyty jako rdzeń. Nikiel jest przykładem materiału ferromagnetycznego i ma względną przepuszczalność od 100 do 600. Jeśli użyjesz rdzenia niklowego do elektromagnesu, siła wytwarzanego pola uległaby drastycznej poprawie.

Jednak żelazo ma względną przepuszczalność 5000, gdy ma czystość 99,8 procent, a względna przepuszczalność miękkiego żelaza o czystości 99,95 procent wynosi aż 200 000. Ta ogromna względna przepuszczalność sprawia, że ​​żelazo jest najlepszym rdzeniem elektromagnesu. Przy wyborze materiału na rdzeń elektromagnesu należy wziąć pod uwagę wiele czynników, w tym prawdopodobieństwo marnotrawstwa wynikającego z prądów wirowych, ale ogólnie rzecz biorąc, żelazo jest tanie i skuteczne, więc albo jest w jakiś sposób włączone do materiału rdzenia, albo rdzeń jest wykonany z czystego żelaza.

Wiele materiałów może działać jako rdzenie elektromagnesów, ale niektóre popularne to żelazo, stal amorficzna, żelazo ceramika (związki ceramiczne wykonane z tlenku żelaza), stal krzemowa i amorficzna taśma na bazie żelaza. W zasadzie jako rdzeń elektromagnesu można zastosować dowolny materiał o wysokiej przepuszczalności względnej. Istnieje kilka materiałów, które zostały wykonane specjalnie, aby służyć jako rdzenie elektromagnesów, w tym permalloy, który ma względną przepuszczalność 8000. Innym przykładem jest Nanoperm na bazie żelaza, który ma względną przepuszczalność 80 000.

Liczby te są imponujące (i obie przewyższają przepuszczalność lekko zanieczyszczonego żelaza), ale kluczem do dominacji rdzeni żelaznych jest tak naprawdę połączenie ich przepuszczalności i przystępności cenowej.