Železo je všeobecne považované za najlepšie jadro pre elektromagnet, ale prečo? Nie je to jediný magnetický materiál a existuje veľa zliatin, ako je oceľ, od ktorých by ste mohli očakávať, že sa budú v modernej dobe viac používať. Pochopenie, prečo je pravdepodobnejšie, že uvidíte elektromagnet so železným jadrom, ako ten, ktorý používa iný materiál, vám poskytne stručný úvod k mnohým kľúčom body o vede o elektromagnetizme, ako aj štruktúrovaný prístup k vysvetleniu, ktoré materiály sa väčšinou používajú na výrobu elektromagnety. Stručne povedané, odpoveď spočíva v „priepustnosti“ materiálu pre magnetické polia.
Pochopenie magnetizmu a domén
Pôvod magnetizmu v materiáloch je trochu zložitejší, ako by ste si mysleli. Zatiaľ čo väčšina ľudí vie, že veci ako tyčové magnety majú „severný“ a „južný“ pól a že opačné póly lákajú a odpudzujúce póly odpudzujú, pôvod sily nie je taký rozšírený. Magnetizmus v konečnom dôsledku pramení z pohybu nabitých častíc.
Elektróny „obiehajú“ okolo jadra hostiteľského atómu trochu ako to, ako planéty obiehajú okolo Slnka, a elektróny nesú negatívny elektrický náboj. Pohyb nabitej častice - môžete si ju predstaviť ako kruhovú slučku, aj keď to nie je také jednoduché - vedie k vytvoreniu magnetického poľa. Toto pole generuje iba elektrón - drobná častica s hmotnosťou asi miliardtinu a miliardtina miliardtiny gramu - takže by vás nemalo prekvapiť, že pole z jedného elektrónu nie je taký veľký. Ovplyvňuje však elektróny v susedných atómoch a vedie k zosúladeniu ich polí s pôvodnými. Potom pole z nich ovplyvňuje ďalšie elektróny, ony zasa iné a podobne. Konečným výsledkom je vytvorenie malej „domény“ elektrónov, kde sú všetky nimi vytvárané magnetické polia zarovnané.
Akýkoľvek makroskopický kúsok materiálu - inými slovami, vzorka dostatočne veľká na to, aby ste ju videli a mohli s ňou pracovať - má dostatok priestoru pre veľa domén. Smer poľa v každom z nich je skutočne náhodný, takže rôzne domény majú tendenciu sa navzájom rušiť. Makroskopická vzorka materiálu preto nebude mať čisté magnetické pole. Ak však vystavíte materiál inému magnetickému poľu, spôsobí to zarovnanie všetkých domén s ním, a tak budú všetky zoradené tiež navzájom. Keď sa to stane, makroskopická vzorka materiálu bude mať magnetické pole, pretože všetky malé polia takpovediac „spolupracujú“.
Rozsah, v akom materiál udržuje toto zarovnanie domén po odstránení externého poľa, určuje ktoré materiály, ktoré môžete nazvať „magnetické“. Feromagnetické materiály sú tie, ktoré udržujú toto vyrovnanie potom, čo došlo k vonkajšiemu poľu boli odstránené. Ako ste možno zistili, ak poznáte svoju periodickú tabuľku, tento názov je odvodený od železa (Fe) a železo je najznámejší feromagnetický materiál.
Ako fungujú elektromagnety?
Vyššie uvedený popis zdôrazňuje, že sa sťahuje elektrický poplatky vyrábajú magnetické polia. Toto spojenie medzi týmito dvoma silami je rozhodujúce pre pochopenie elektromagnetov. Rovnako ako pohyb elektrónu okolo jadra atómu produkuje magnetické pole, produkuje magnetické pole aj pohyb elektrónov ako súčasť elektrického prúdu. To objavil Hans Christian Oersted v roku 1820, keď si všimol, že ihla kompasu bola vychyľovaná prúdom pretekajúcim cez neďaleký drôt. Pre rovnú dĺžku drôtu vytvárajú čiary magnetického poľa sústredné kruhy obklopujúce drôt.
Elektromagnety tento jav využívajú pomocou drôtenej cievky. Keď prúd preteká cievkou, magnetické pole generované každou slučkou sa pridáva do poľa generované ostatnými slučkami, ktoré vytvárajú definitívny „sever“ a „juh“ (alebo kladné a záporné) koniec. Toto je základný princíp, z ktorého vychádza elektromagnety.
To by samo o sebe stačilo na výrobu magnetizmu, ale elektromagnety sú vylepšené pridaním „jadra“. Toto je materiál že drôt je omotaný okolo, a ak je to magnetický materiál, jeho vlastnosti prispejú k poľu produkovanému cievkou drôt. Pole produkované cievkou zarovnáva magnetické domény v materiáli, takže tak cievka, ako aj fyzické magnetické jadro spolupracujú na vytvorení silnejšieho poľa, ako by to dokázalo samotné.
Výber základnej a relatívnej priepustnosti
Na otázku, ktorý kov je vhodný pre jadrá elektromagnetov, odpovedá „relatívna permeabilita“ materiálu. V kontexte elektromagnetizmu permeabilita materiálu popisuje schopnosť materiálu vytvárať magnetické polia. Ak má materiál vyššiu priepustnosť, potom bude magnetizovať silnejšie v reakcii na vonkajšie magnetické pole.
„Relatívny“ v tomto výraze určuje štandard pre porovnanie priepustnosti rôznych materiálov. Priepustnosť voľného priestoru je označená symbolom μ0 a používa sa v mnohých rovniciach zaoberajúcich sa magnetizmom. Je to konštanta s hodnotou μ0 = 4π × 10−7 henries na meter. Relatívna permeabilita (μr) materiálu je definované:
μr = μ / μ0
Kde μ je priepustnosť príslušnej látky. Relatívna permeabilita nemá žiadne jednotky; je to len čisté číslo. Takže ak niečo vôbec nereaguje na magnetické pole, má relatívnu permeabilitu jedného, čo znamená, že reaguje rovnako ako úplné vákuum, inými slovami, „voľný priestor“. Čím vyššia je relatívna permeabilita, tým vyššia je magnetická odozva materiál.
Aké je najlepšie jadro pre elektromagnet?
Najlepším jadrom pre elektromagnet je preto materiál s najvyššou relatívnou permeabilitou. Akýkoľvek materiál s relatívnou permeabilitou vyššou ako jedna zvýši silu elektromagnetu, ak sa použije ako jadro. Nikel je príkladom feromagnetického materiálu a má relatívnu permeabilitu medzi 100 a 600. Ak by ste pre elektromagnet použili niklové jadro, potom by sa intenzita produkovaného poľa drasticky zlepšila.
Avšak železo má relatívnu permeabilitu 5 000, keď je čisté 99,8%, a relatívna permeabilita mäkkého železa s čistotou 99,95% je obrovských 200 000. Táto obrovská relatívna permeabilita je dôvod, prečo je železo najlepším jadrom pre elektromagnet. Pri výbere materiálu pre elektromagnetické jadro existuje veľa úvah, vrátane pravdepodobnosti plytvania v dôsledku vírivých prúdov, ale všeobecne povedané, železo je lacné a účinné, takže je buď nejako zabudované do materiálu jadra, alebo je jadro vyrobené z čistého železa.
Ktoré materiály sa väčšinou používajú na výrobu jadier elektromagnetov?
Mnoho materiálov môže fungovať ako elektromagnetické jadro, ale niektoré bežné sú železo, amorfná oceľ, železo keramika (keramické zmesi vyrobené z oxidu železitého), kremíková oceľ a amorfná páska na báze železa. V zásade môže byť ako elektromagnetické jadro použitý akýkoľvek materiál s vysokou relatívnou permeabilitou. Existuje niekoľko materiálov, ktoré boli vyrobené špeciálne na to, aby slúžili ako jadrá pre elektromagnety, vrátane permalloy, ktorá má relatívnu permeabilitu 8 000. Ďalším príkladom je Nanoperm na báze železa, ktorý má relatívnu permeabilitu 80 000.
Tieto čísla sú pôsobivé (a obidve prekračujú priepustnosť mierne nečistého železa), ale kľúčom k dominancii železných jadier je skutočne zmes ich priepustnosti a cenovej dostupnosti.