Fierul este considerat pe scară largă ca fiind cel mai bun miez pentru un electromagnet, dar de ce? Nu este singurul material magnetic și există o mulțime de aliaje, cum ar fi oțelul, pe care v-ați putea aștepta să le folosiți mai mult în epoca modernă. Înțelegerea de ce este mai probabil să vedeți un electromagnet cu miez de fier decât unul care folosește un alt material vă oferă o scurtă introducere a mai multor chei puncte despre știința electromagnetismului, precum și o abordare structurată pentru a explica ce materiale sunt utilizate în principal pentru realizarea electromagneti. Răspunsul, pe scurt, se reduce la „permeabilitatea” materialului la câmpurile magnetice.
Înțelegerea magnetismului și a domeniilor
Originea magnetismului în materiale este puțin mai complexă decât ai putea crede. În timp ce majoritatea oamenilor știu că lucrurile precum magneții cu bare au poli „nord” și „sud” și că polii opuși atrag și polii care se potrivesc resping, originea forței nu este la fel de înțeleasă. Magnetismul provine în cele din urmă din mișcarea particulelor încărcate.
Electronii „orbitează” nucleul atomului gazdă cam asemănător cu modul în care planetele orbitează Soarele, iar electronii poartă o sarcină electrică negativă. Mișcarea particulei încărcate - o puteți gândi la o buclă circulară, deși nu este chiar atât de simplă - duce la crearea unui câmp magnetic. Acest câmp este generat doar de un electron - o particulă mică cu o masă de aproximativ o miliardime dintr-o miliardime dintr-o miliardime dintr-un gram - deci nu ar trebui să vă surprindă că câmpul dintr-un singur electron nu este atât de mare. Cu toate acestea, influențează electronii din atomii vecini și duce la alinierea câmpurilor lor cu cel original. Apoi câmpul de la aceștia influențează alți electroni, ei la rândul lor îi influențează pe alții și așa mai departe. Rezultatul final este crearea unui mic „domeniu” de electroni în care toate câmpurile magnetice produse de aceștia sunt aliniate.
Orice bit macroscopic de material - cu alte cuvinte, un eșantion suficient de mare pentru a putea vedea și interacționa - are o mulțime de spațiu pentru o mulțime de domenii. Direcția câmpului în fiecare este efectiv aleatorie, astfel încât diferitele domenii tind să se anuleze reciproc. Prin urmare, proba macroscopică de material nu va avea un câmp magnetic net. Cu toate acestea, dacă expuneți materialul la un alt câmp magnetic, acest lucru face ca toate domeniile să se alinieze cu acesta, astfel încât toate acestea să fie aliniate între ele. Când s-a întâmplat acest lucru, eșantionul macroscopic al materialului va avea un câmp magnetic, deoarece toate câmpurile mici „funcționează împreună”, ca să spunem așa.
Măsura în care un material menține această aliniere a domeniilor după eliminarea câmpului extern determină care materiale pe care le puteți numi „magnetice”. Materialele feromagnetice sunt cele care mențin această aliniere după ce câmpul extern are a fost eliminat. Așa cum ați fi putut afla dacă vă cunoașteți tabelul periodic, acest nume este preluat din fier (Fe), iar fierul este cel mai cunoscut material feromagnetic.
Cum funcționează electromagnetii?
Descrierea de mai sus subliniază această mișcare electric taxele produc magnetic câmpuri. Această legătură între cele două forțe este crucială pentru înțelegerea electroimanaților. În același mod în care mișcarea unui electron în jurul nucleului unui atom produce un câmp magnetic, mișcarea electronilor ca parte a unui curent electric produce și un câmp magnetic. Acest lucru a fost descoperit de Hans Christian Oersted în 1820, când a observat că acul unei busole era deviat de curentul care curgea printr-un fir din apropiere. Pentru o lungime dreaptă a firului, liniile câmpului magnetic formează cercuri concentrice care înconjoară firul.
Electromagneții exploatează acest fenomen folosind o bobină de sârmă. Pe măsură ce curentul curge prin bobină, câmpul magnetic generat de fiecare buclă se adaugă câmpului generat de celelalte bucle, producând un „nord” și „sud” definitiv (sau pozitiv și negativ) Sfârșit. Acesta este principiul de bază care stă la baza electromagnetilor.
Numai acest lucru ar fi suficient pentru a produce magnetism, dar electromagnetii sunt îmbunătățiți prin adăugarea unui „miez”. Acesta este un material că firul este înfășurat și dacă este un material magnetic, proprietățile sale vor contribui la câmpul produs de bobina lui sârmă. Câmpul produs de bobină aliniază domeniile magnetice din material, astfel încât atât bobina, cât și nucleul magnetic fizic lucrează împreună pentru a produce un câmp mai puternic decât oricare ar putea singur.
Alegerea unei permeabilități de bază și relative
Întrebarea care metal este potrivit pentru miezurile electromagnetice este răspunsă de „permeabilitatea relativă” a materialului. În contextul electromagnetismului, permeabilitatea materialului descrie capacitatea materialului de a forma câmpuri magnetice. Dacă un material are o permeabilitate mai mare, atunci acesta va magnetiza mai puternic ca răspuns la un câmp magnetic extern.
„Ruda” din termen stabilește un standard pentru compararea permeabilității diferitelor materiale. Permeabilitatea spațiului liber primește simbolul μ0 și este utilizat în multe ecuații care se ocupă de magnetism. Este o constantă cu valoarea μ0 = 4π × 10−7 henries pe metru. Permeabilitatea relativă (μr) a unui material este definit de:
μr = μ / μ0
Unde μ este permeabilitatea substanței în cauză. Permeabilitatea relativă nu are unități; este doar un număr pur. Deci, dacă ceva nu răspunde deloc la un câmp magnetic, are o permeabilitate relativă de unul, ceea ce înseamnă că răspunde în același mod ca un vid complet, cu alte cuvinte, „spațiu liber”. Cu cât permeabilitatea relativă este mai mare, cu atât este mai mare răspunsul magnetic al material.
Care este cel mai bun nucleu pentru un electromagnet?
Cel mai bun miez pentru un electromagnet este deci materialul cu cea mai mare permeabilitate relativă. Orice material cu o permeabilitate relativă mai mare decât unul va crește puterea unui electromagnet atunci când este utilizat ca miez. Nichelul este un exemplu de material feromagnetic și are o permeabilitate relativă între 100 și 600. Dacă ați utiliza un miez de nichel pentru un electromagnet, atunci puterea câmpului produs ar fi îmbunătățită drastic.
Cu toate acestea, fierul are o permeabilitate relativă de 5.000 când este 99,8% pură, iar permeabilitatea relativă a fierului moale cu 99,95% puritate este de 200.000. Această permeabilitate relativă uriașă este motivul pentru care fierul este cel mai bun miez pentru un electromagnet. Există multe considerații atunci când alegeți un material pentru un miez de electromagnet, inclusiv probabilitatea de irosire rezultată din curenții turbionari, dar, în general, fierul este ieftin și eficient, deci fie este încorporat cumva în materialul miezului, fie miezul este fabricat din fier pur.
Ce materiale sunt utilizate cel mai mult pentru realizarea nucleelor electromagnetice?
Multe materiale pot funcționa ca miezuri electromagnetice, dar unele comune sunt fierul, oțelul amorf, feroase ceramică (compuși ceramici fabricați cu oxid de fier), oțel siliciu și bandă amorfă pe bază de fier. În principiu, orice material cu o permeabilitate relativă ridicată poate fi utilizat ca miez de electromagnet. Există unele materiale care au fost realizate special pentru a servi drept nuclee pentru electroimneți, inclusiv permalloy, care are o permeabilitate relativă de 8.000. Un alt exemplu este Nanopermul pe bază de fier, care are o permeabilitate relativă de 80.000.
Aceste numere sunt impresionante (și ambele depășesc permeabilitatea fierului ușor impur), dar cheia dominanței miezurilor de fier este într-adevăr un amestec de permeabilitate și accesibilitate.