Железо считается лучшим сердечником для электромагнита, но почему? Это не единственный магнитный материал, и существует множество сплавов, таких как сталь, которые, как вы могли ожидать, будут чаще использоваться в наше время. Понимание того, почему вы с большей вероятностью увидите электромагнит с железным сердечником, чем электромагнит, использующий другой материал, дает вам краткое введение во многие ключевые моменты о науке электромагнетизма, а также структурированный подход к объяснению того, какие материалы в основном используются для изготовления электромагниты. Короче говоря, ответ сводится к «проницаемости» материала для магнитных полей.
Понимание магнетизма и доменов
Происхождение магнетизма в материалах немного сложнее, чем вы думаете. Хотя большинство людей знает, что такие вещи, как стержневые магниты, имеют «северный» и «южный» полюса, и что противоположные полюса притягиваются, а соответствующие полюса отталкиваются, происхождение силы не так широко изучено. В конечном итоге магнетизм проистекает из движения заряженных частиц.
Электроны «вращаются» вокруг ядра атома-хозяина подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца, а электроны несут отрицательный электрический заряд. Движение заряженной частицы - вы можете представить его как круговую петлю, хотя на самом деле это не так просто - приводит к созданию магнитного поля. Это поле создается только электроном - крошечной частицей с массой около миллиардной доли миллиардной миллиардной грамма - поэтому вас не должно удивлять, что поле одного электрона не такой большой. Однако это влияет на электроны в соседних атомах и приводит к выравниванию их полей с исходным. Затем эти поля воздействуют на другие электроны, они, в свою очередь, влияют на другие и так далее. Конечным результатом является создание небольшого «домена» электронов, в котором выровнены все создаваемые ими магнитные поля.
Любой макроскопический кусок материала - другими словами, образец, достаточно большой, чтобы вы могли его видеть и взаимодействовать, - имеет достаточно места для множества областей. Направление поля в каждом из них фактически случайное, поэтому различные домены имеют тенденцию компенсировать друг друга. Таким образом, макроскопический образец материала не будет иметь чистого магнитного поля. Однако, если вы подвергнете материал воздействию другого магнитного поля, это заставит все домены выровняться с ним, и поэтому все они также будут выровнены друг с другом. Когда это произойдет, макроскопический образец материала будет иметь магнитное поле, потому что все маленькие поля, так сказать, «работают вместе».
Степень, в которой материал поддерживает это выравнивание доменов после удаления внешнего поля, определяет, какие материалы, которые можно назвать «магнитными». Ферромагнитные материалы - это те материалы, которые поддерживают это выравнивание после того, как внешнее поле был удален. Как вы могли догадаться, если знаете свою периодическую таблицу, это название происходит от названия железа (Fe), а железо является наиболее известным ферромагнитным материалом.
Как работают электромагниты?
В приведенном выше описании подчеркивается, что перемещение электрический обвинения производят магнитный поля. Эта связь между двумя силами имеет решающее значение для понимания электромагнитов. Точно так же, как движение электрона вокруг ядра атома создает магнитное поле, движение электронов как часть электрического тока также создает магнитное поле. Это было обнаружено Гансом Кристианом Эрстедом в 1820 году, когда он заметил, что стрелка компаса отклоняется током, протекающим через соседний провод. Для прямого отрезка провода силовые линии магнитного поля образуют концентрические круги, окружающие провод.
Электромагниты используют это явление с помощью катушки с проволокой. Когда ток течет через катушку, магнитное поле, создаваемое каждой петлей, добавляется к полю генерируется другими петлями, производя окончательные «север» и «юг» (или положительный и отрицательный) конец. Это основной принцип, лежащий в основе электромагнитов.
Одного этого было бы достаточно для создания магнетизма, но электромагниты улучшаются с добавлением «сердечника». Это материал что провод намотан, и если это магнитный материал, его свойства будут влиять на поле, создаваемое катушкой провод. Поле, создаваемое катушкой, выравнивает магнитные домены в материале, поэтому и катушка, и физический магнитный сердечник работают вместе, создавая более сильное поле, чем они могли бы по отдельности.
Выбор керна и относительной проницаемости
На вопрос, какой металл подходит для сердечников электромагнита, отвечает «относительная проницаемость» материала. В контексте электромагнетизма проницаемость материала описывает способность материала образовывать магнитные поля. Если материал имеет более высокую проницаемость, он будет сильнее намагничиваться в ответ на внешнее магнитное поле.
«Относительный» в этом термине устанавливает стандарт для сравнения проницаемости различных материалов. Проницаемость свободного пространства обозначается символом μ0 и используется во многих уравнениях, касающихся магнетизма. Это константа со значением μ0 = 4π × 10−7 генри на метр. Относительная проницаемость (μр) материала определяется:
μр = μ / μ0
Где μ проницаемость рассматриваемого вещества. Относительная проницаемость не имеет единиц; это просто чистое число. Таким образом, если что-то вообще не реагирует на магнитное поле, его относительная проницаемость равна единице, что означает, что оно реагирует таким же образом. как полный вакуум, иными словами, «свободное пространство». Чем выше относительная проницаемость, тем больше магнитный отклик материал.
Какой сердечник лучше всего подходит для электромагнита?
Поэтому лучший сердечник для электромагнита - это материал с наивысшей относительной проницаемостью. Любой материал с относительной проницаемостью выше единицы увеличивает силу электромагнита при использовании в качестве сердечника. Никель является примером ферромагнитного материала, и его относительная проницаемость составляет от 100 до 600. Если бы вы использовали никелевый сердечник для электромагнита, то сила создаваемого поля резко увеличилась бы.
Однако относительная проницаемость железа составляет 5000 при чистоте 99,8%, а относительная проницаемость мягкого железа чистотой 99,95% составляет огромные 200000. Эта огромная относительная проницаемость - вот почему железо - лучший сердечник для электромагнита. При выборе материала сердечника электромагнита необходимо учитывать множество факторов, включая вероятность потерь из-за вихревых токов, но вообще говоря, железо дешево и эффективно, поэтому оно либо каким-то образом включено в материал сердечника, либо сердечник сделан из чистого железа.
Какие материалы чаще всего используются для изготовления сердечников электромагнита?
Многие материалы могут работать как сердечники электромагнита, но некоторые распространенные из них - железо, аморфная сталь, черные металлы. керамика (керамические соединения на основе оксида железа), кремнистая сталь и аморфная лента на основе железа. В принципе, в качестве сердечника электромагнита можно использовать любой материал с высокой относительной проницаемостью. Некоторые материалы были изготовлены специально для использования в качестве сердечников электромагнитов, в том числе пермаллой с относительной проницаемостью 8000. Другой пример - наноперм на основе железа с относительной проницаемостью 80000.
Эти цифры впечатляют (и оба превышают проницаемость слегка загрязненного железа), но ключом к преобладанию железных сердечников на самом деле является сочетание их проницаемости и доступности.