Varför är järn den bästa kärnan för en elektromagnet?

Järn betraktas allmänt som den bästa kärnan för en elektromagnet, men varför? Det är inte det enda magnetiska materialet, och det finns gott om legeringar som stål som du kan förvänta dig att användas mer i modern tid. Att förstå varför det är mer sannolikt att du ser en järnkärnelektromagnet än en som använder ett annat material ger dig en kort introduktion till många nycklar poäng om vetenskapen om elektromagnetism, samt en strukturerad metod för att förklara vilka material som mest används för tillverkning elektromagneter. Svaret kommer kort sagt ner på materialets "permeabilitet" för magnetfält.

Ursprunget till magnetism i material är lite mer komplicerat än du kanske tror. Medan de flesta vet att saker som stavmagneter har "norr" och "södra" poler, och att motsatta poler lockar och matchande poler stöter bort, är inte kraftens ursprung lika utbrett. Magnetism härrör slutligen från rörelsen av laddade partiklar.

Elektroner “kretsar” kring kärnan i värdatomen lite som hur planeter kretsar kring solen och elektroner bär en negativ elektrisk laddning. Rörelsen av den laddade partikeln - du kan tänka på den som en cirkulär slinga även om den inte är riktigt så enkel - leder till skapandet av ett magnetfält. Detta fält genereras bara av en elektron - en liten partikel med en massa på ungefär en miljarddel a miljardels miljardedel gram - så det borde inte förvåna dig att fältet från en enda elektron inte är det så stort. Det påverkar emellertid elektroner i angränsande atomer och leder till att deras fält stämmer överens med den ursprungliga. Sedan påverkar fältet från dessa andra elektroner, de påverkar i sin tur andra och så vidare. Slutresultatet är skapandet av en liten "domän" av elektroner där alla magnetfält som produceras av dem är inriktade.

Varje makroskopisk bit av material - med andra ord, ett prov som är tillräckligt stort för att du ska kunna se och interagera med - har gott om plats för många domäner. Fältets riktning i var och en är effektivt slumpmässig, så de olika domänerna tenderar att avbryta varandra. Det makroskopiska materialprovet har därför inget nätmagnetiskt fält. Men om du utsätter materialet för ett annat magnetfält, får detta alla domäner att anpassa sig till det, och så kommer de också att vara i linje med varandra. När detta har hänt kommer det makroskopiska provet av materialet att ha ett magnetfält, eftersom alla de små fälten "arbetar tillsammans", så att säga.

I vilken utsträckning ett material bibehåller denna inriktning av domäner efter att det externa fältet har tagits bort avgör vilken material som du kan kalla ”magnetiskt”. Ferromagnetiska material är sådana som upprätthåller denna inriktning efter att det yttre fältet har har tagits bort. Som du kanske har tränat om du känner till ditt periodiska system är det här namnet hämtat från järn (Fe) och järn är det mest kända ferromagnetiska materialet.

Beskrivningen ovan betonar att rörelse elektrisk avgifter producerar magnetisk fält. Denna länk mellan de två krafterna är avgörande för att förstå elektromagneter. På samma sätt som rörelsen av en elektron runt kärnan i en atom producerar ett magnetfält, producerar också elektronernas rörelse som en del av en elektrisk ström ett magnetfält. Detta upptäcktes av Hans Christian Oersted 1820, när han märkte att en kompassnål avböjdes av strömmen som strömmade genom en närliggande tråd. För en rak trådlängd bildar magnetfältlinjerna koncentriska cirklar som omger tråden.

Elektromagneter utnyttjar detta fenomen genom att använda en trådspole. När strömmen flyter genom spolen lägger magnetfältet som genereras av varje slinga till fältet genereras av de andra slingorna och producerar ett definitivt "norr" och "söder" (eller positivt och negativt) slutet. Detta är den grundläggande principen som ligger till grund för elektromagneter.

Detta ensam skulle vara tillräckligt för att producera magnetism, men elektromagneter förbättras med tillsats av en "kärna". Detta är ett material att tråden lindas runt, och om det är ett magnetiskt material, kommer dess egenskaper att bidra till fältet som produceras av spolen tråd. Fältet som produceras av spolen justerar de magnetiska domänerna i materialet, så både spolen och den fysiska magnetiska kärnan arbetar tillsammans för att producera ett starkare fält än någon av dem ensamma.

Frågan om vilken metall som är lämplig för elektromagnetkärnor besvaras av materialets ”relativa permeabilitet”. I samband med elektromagnetism beskriver materialets permeabilitet förmågan hos materialet att bilda magnetfält. Om ett material har högre permeabilitet kommer det att magnetiseras starkare som svar på ett externt magnetfält.

"Släktingen" i termen sätter en standard för jämförelse av permeabiliteten hos olika material. Permeabiliteten för fritt utrymme ges symbolen μ₀ och används i många ekvationer som handlar om magnetism. Det är en konstant med värdet μ₀ = 4π × 10⁻⁷ henries per meter. Den relativa permeabiliteten (μ_r) av ett material definieras av:

μ_r = μ / μ₀

Var μ är permeabiliteten för ämnet i fråga. Den relativa permeabiliteten har inga enheter; det är bara ett rent nummer. Så om något inte alls svarar på ett magnetfält, har det en relativ permeabilitet av ett, vilket innebär att det svarar på samma sätt som ett fullständigt vakuum, med andra ord "fritt utrymme." Ju högre den relativa permeabiliteten, desto större är magnetisk respons hos material.

Den bästa kärnan för en elektromagnet är därför materialet med den högsta relativa permeabiliteten. Alla material med en högre permeabilitet än en kommer att öka styrkan hos en elektromagnet när den används som en kärna. Nickel är ett exempel på ett ferromagnetiskt material och har en relativ permeabilitet mellan 100 och 600. Om du använde en nickelkärna för en elektromagnet skulle styrkan i det producerade fältet förbättras drastiskt.

Emellertid har järn en relativ permeabilitet på 5 000 när det är 99,8 procent rent, och den relativa permeabiliteten för mjukt järn med 99,95 procent renhet är massiva 200 000. Denna enorma relativa permeabilitet är varför järn är den bästa kärnan för en elektromagnet. Det finns många överväganden när man väljer ett material för en elektromagnetkärna, inklusive sannolikheten för slöseri till följd av virvelströmmar, men generellt sett är järn billigt och effektivt, så det införlivas antingen på något sätt i kärnmaterialet eller så är kärnan tillverkad av rent järn.

Många material kan fungera som elektromagnetkärnor, men några vanliga är järn, amorft stål, järn keramik (keramiska föreningar som är tillverkade med järnoxid), kiselstål och järnbaserat amorft tejp. I princip kan vilket som helst material med hög relativ permeabilitet användas som en elektromagnetkärna. Det finns några material som har gjorts specifikt för att fungera som kärnor för elektromagneter, inklusive permalloy, som har en relativ permeabilitet på 8000. Ett annat exempel är den järnbaserade Nanoperm, som har en relativ permeabilitet på 80 000.

Dessa siffror är imponerande (och båda överskrider permeabiliteten för lätt orent järn), men nyckeln till järnkärnornas dominans är verkligen en blandning av deras permeabilitet och deras överkomliga priser.