Зашто је гвожђе најбоље језгро за електромагнет?

Гвожђе се сматра најбољим језгром за електромагнет, али зашто? То није једини магнетни материјал, а има пуно легура попут челика за које бисте могли очекивати да ће се више користити у модерно доба. Разумевање зашто је већа вероватноћа да ћете видети електромагнет од језгра од гвожђа него онај који користи други материјал даје вам кратки увод у многе кључеве тачке о науци о електромагнетизму, као и структурирани приступ објашњавању који материјали се углавном користе за израду електромагнети. Одговор се, укратко, своди на „пропусност“ материјала за магнетна поља.

Порекло магнетизма у материјалима је мало сложеније него што мислите. Иако већина људи зна да ствари попут шипкастих магнета имају „северни“ и „јужни“ пол, и да супротни полови привлаче и да се подударни полови одбијају, порекло силе није толико широко схваћено. Магнетизам на крају потиче од кретања наелектрисаних честица.

Електрони „круже“ око језгра атома домаћина помало налик томе како планете круже око Сунца, а електрони носе негативан електрични набој. Кретање наелектрисане честице - можете је замислити као кружну петљу, иако то у ствари није баш тако једноставно - доводи до стварања магнетног поља. Ово поље генерише само електрон - сићушна честица масе око милијарду делова а милијардити милијардити део грама - па вас не би требало изненадити да поље од једног електрона није толико велика. Међутим, он утиче на електроне у суседним атомима и доводи до њиховог поравнања са оригиналним. Тада поље од ових утиче на друге електроне, они пак на друге и тако даље. Крајњи резултат је стварање малог „домена“ електрона где су поравнана сва магнетна поља која они производе.

Било који макроскопски делић материјала - другим речима, узорак довољно велик да га можете видети и ступити у интеракцију са њим - има довољно места за пуно домена. Смер поља у сваком од њих је ефективно случајан, тако да се различити домени међусобно поништавају. Макроскопски узорак материјала, према томе, неће имати мрежно магнетно поље. Међутим, ако материјал изложите другом магнетном пољу, то доводи до тога да се сви домени поравнају са њим, па ће тако и сви бити међусобно поравнати. Када се то догоди, макроскопски узорак материјала имаће магнетно поље, јер сва мала поља, такорећи, „раде заједно“.

У којој мери материјал одржава ово поравнање домена након уклањања спољног поља, одређује који материјали које можете назвати „магнетним“. Ферромагнетски материјали су они који одржавају ово поравнање након што је спољно поље имало је уклоњен. Као што сте можда већ радили ако знате свој периодни систем, ово име је преузето од гвожђа (Фе), а гвожђе је најпознатији феромагнетни материјал.

Горњи опис наглашава да се кретање електрични пуњења производе магнетна поља. Ова веза између ове две силе пресудна је за разумевање електромагнета. На исти начин као што кретање електрона око језгра атома производи магнетно поље, кретање електрона као дела електричне струје такође ствара магнетно поље. Ово је открио Ханс Цхристиан Оерстед 1820. године, када је приметио да је игла компаса скренула струја која је текла кроз оближњу жицу. За праву дужину жице, линије магнетног поља чине концентричне кругове који окружују жицу.

Електромагнети искоришћавају овај феномен користећи калем жице. Како струја пролази кроз калем, магнетно поље које генерише свака петља додаје се пољу генерисане од осталих петљи, стварајући дефинитиван „север“ и „југ“ (или позитиван и негативан) крај. Ово је основни принцип који лежи у основи електромагнета.

Само ово би било довољно за стварање магнетизма, али електромагнети се побољшавају додатком „језгра“. Ово је материјал да је жица омотана и ако је магнетни материјал, њена својства ће допринети пољу које ствара завојница од жица. Поље произведено завојницом поравнава магнетне домене у материјалу, тако да и завојница и физичко магнетно језгро раде заједно да би створили јаче поље него што би то могло појединачно.

На питање који је метал погодан за језгре електромагнета одговара „релативна пропустљивост“ материјала. У контексту електромагнетизма, пропустљивост материјала описује способност материјала да формира магнетна поља. Ако материјал има већу пропустљивост, тада ће се снажније магнетизовати као одговор на спољно магнетно поље.

Термин „рођак“ поставља стандард за поређење пропусности различитих материјала. Пропустљивост слободног простора дата је симболом μ₀ и користи се у многим једначинама које се баве магнетизмом. То је константа са вредношћу μ₀ = 4π × 10⁻⁷ хенрија по метру. Релативна пропусност (μ_р) материјала је дефинисано:

μ_р = μ / μ₀

Где μ је пропусност дотичне супстанце. Релативна пропусност нема јединице; то је само чист број. Дакле, ако нешто уопште не реагује на магнетно поље, оно има релативну пропустљивост, што значи да реагује на исти начин као потпуни вакуум, другим речима, „слободан простор“. Што је већа релативна пропустљивост, то је магнетни одзив већи материјал.

Стога је најбоље језгро за електромагнет материјал са највећом релативном пропустљивошћу. Било који материјал са релативном пропустљивошћу већом од једне повећаће чврстоћу електромагнета када се користи као језгро. Никл је пример феромагнетног материјала и има релативну пропусност између 100 и 600. Ако сте за електромагнет користили језгро од никла, тада би се снага произведеног поља драстично побољшала.

Међутим, гвожђе има релативну пропустљивост 5.000 када је чисто 99,8 процената, а релативна пропусност меког гвожђа чистоће 99,95 процената је масивних 200 000. Ова огромна релативна пропустљивост је разлог зашто је гвожђе најбоље језгро за електромагнет. Много је разматрања при одабиру материјала за језгро електромагнета, укључујући вероватноћу расипања насталог вртложним струјама, али уопштено говорећи, гвожђе је јефтино и ефикасно, па је или некако уграђено у материјал језгра или је језгро направљено од чистог гвожђа.

Многи материјали могу радити као електромагнетна језгра, али неки од њих су гвожђе, аморфни челик и жељезо керамика (керамичка једињења која се израђују од оксида гвожђа), силицијум челик и аморфна трака на бази гвожђа. У принципу, било који материјал са високом релативном пропусношћу може се користити као језгро електромагнета. Постоје неки материјали који су направљени посебно да служе као језгра за електромагнете, укључујући пермалој, који има релативну пропусност од 8.000. Други пример је Наноперм на бази гвожђа, који има релативну пропустљивост 80.000.

Ови бројеви су импресивни (и оба премашују пропустљивост благо нечистог гвожђа), али кључ доминације гвоздених језгара је заиста мешавина њихове пропустљивости и њихове приступачности.