Demir Neden Bir Elektromıknatıs İçin En İyi Çekirdektir?

Demir, bir elektromıknatıs için en iyi çekirdek olarak kabul edilir, ancak neden? Tek manyetik malzeme değildir ve modern çağda daha fazla kullanılmasını bekleyebileceğiniz çelik gibi birçok alaşım vardır. Neden bir demir çekirdekli elektromıknatıs görme ihtimalinizin başka bir malzeme kullanmaktan daha olası olduğunu anlamak, size birçok anahtar hakkında kısa bir giriş sağlar. Elektromanyetizma bilimi ile ilgili noktaların yanı sıra, hangi malzemelerin daha çok yapmak için kullanıldığını açıklamaya yönelik yapılandırılmış bir yaklaşım. elektromıknatıslar. Kısaca cevap, malzemenin manyetik alanlara "geçirgenliği" ile ilgilidir.

Malzemelerdeki manyetizmanın kökeni, düşündüğünüzden biraz daha karmaşıktır. Çoğu insan, çubuk mıknatıslar gibi şeylerin "kuzey" ve "güney" kutuplarına sahip olduğunu ve zıt kutupların birbirini çektiğini ve eşleşen kutupların ittiğini bilse de, kuvvetin kökeni o kadar yaygın olarak anlaşılmamıştır. Manyetizma nihayetinde yüklü parçacıkların hareketinden kaynaklanır.

Elektronlar, gezegenlerin Güneş'in yörüngesinde dönmelerine benzer şekilde, ev sahibi atomun çekirdeğinin "yörüngesinde" döner ve elektronlar negatif bir elektrik yükü taşır. Yüklü parçacığın hareketi – aslında o kadar basit olmasa da dairesel bir döngü olarak düşünebilirsiniz – bir manyetik alanın oluşmasına yol açar. Bu alan yalnızca bir elektron tarafından üretilir - kütlesi yaklaşık milyarda biri olan küçük bir parçacık. bir gramın milyarda birinin milyarda biri – yani tek bir elektrondan gelen alanın o kadar büyük. Bununla birlikte, komşu atomlardaki elektronları etkiler ve alanlarının orijinali ile hizalanmasına yol açar. Sonra bunlardan gelen alan diğer elektronları etkiler, onlar da diğerlerini etkiler vb. Sonuç, onlar tarafından üretilen tüm manyetik alanların hizalandığı küçük bir elektron "alanının" yaratılmasıdır.

Herhangi bir makroskopik malzeme parçası – başka bir deyişle, görmeniz ve etkileşim kurmanız için yeterince büyük bir örnek – birçok etki alanı için bolca alana sahiptir. Her birindeki alanın yönü etkin bir şekilde rastgeledir, bu nedenle çeşitli alanlar birbirini iptal etme eğilimindedir. Bu nedenle, makroskopik malzeme numunesi net bir manyetik alana sahip olmayacaktır. Bununla birlikte, malzemeyi başka bir manyetik alana maruz bırakırsanız, bu, tüm alanların onunla hizalanmasına neden olur ve böylece hepsi de birbiriyle hizalanır. Bu gerçekleştiğinde, malzemenin makroskopik örneğinin bir manyetik alanı olacaktır, çünkü tüm küçük alanlar tabiri caizse “birlikte çalışmaktadır”.

Bir malzemenin, dış alan kaldırıldıktan sonra bu etki alanları hizalamasını sürdürme derecesi, hangisini belirler. “manyetik” diyebileceğiniz malzemeler. Ferromanyetik malzemeler, dış alan etkilendikten sonra bu hizalamayı sürdüren malzemelerdir. kaldırıldı. Periyodik tablonuzu biliyorsanız, bu isim demirden (Fe) alınır ve demir en iyi bilinen ferromanyetik malzemedir.

Yukarıdaki açıklama, hareket etmenin elektrik ücretler üretir manyetik alanlar. İki kuvvet arasındaki bu bağlantı, elektromıknatısları anlamak için çok önemlidir. Bir elektronun atom çekirdeği etrafındaki hareketinin bir manyetik alan oluşturması gibi, elektronların elektrik akımının bir parçası olarak hareketi de bir manyetik alan oluşturur. Bu, 1820'de Hans Christian Oersted tarafından, yakındaki bir telden geçen akım tarafından pusulanın iğnesinin saptığını fark ettiğinde keşfedildi. Düz bir tel uzunluğu için, manyetik alan çizgileri teli çevreleyen eşmerkezli daireler oluşturur.

Elektromıknatıslar bu fenomeni bir tel bobini kullanarak kullanır. Akım bobinden akarken, her bir döngü tarafından üretilen manyetik alan alana eklenir. kesin bir "kuzey" ve "güney" (veya pozitif ve negatif) üreten diğer döngüler tarafından üretilir son. Elektromıknatısları destekleyen temel ilke budur.

Bu tek başına manyetizma üretmek için yeterli olacaktır, ancak elektromıknatıslar bir "çekirdek" ilavesiyle geliştirilir. Bu bir malzeme telin etrafına sarıldığı ve manyetik bir malzeme ise, özellikleri bobin tarafından üretilen alana katkıda bulunacaktır. tel. Bobin tarafından üretilen alan, malzemedeki manyetik alanları hizalar, böylece hem bobin hem de fiziksel manyetik çekirdek, her ikisinin de tek başına yapabileceğinden daha güçlü bir alan üretmek için birlikte çalışır.

Elektromıknatıs çekirdekler için hangi metalin uygun olduğu sorusu, malzemenin “göreceli geçirgenliği” ile yanıtlanır. Elektromanyetizma bağlamında, malzemenin geçirgenliği, malzemenin manyetik alanlar oluşturma yeteneğini tanımlar. Bir malzeme daha yüksek bir geçirgenliğe sahipse, o zaman harici bir manyetik alana tepki olarak daha güçlü bir şekilde manyetize olacaktır.

Terimdeki "göreceli", farklı malzemelerin geçirgenliğinin karşılaştırılması için bir standart belirler. Boş alanın geçirgenliği sembolü verilir μ₀ ve manyetizma ile ilgili birçok denklemde kullanılır. değeri ile bir sabittir μ₀ = 4π × 10⁻⁷ metre başına henries. Göreceli geçirgenlik (μ_r) bir malzeme ile tanımlanır:

μ_r = μ / μ₀

Nerede μ söz konusu maddenin geçirgenliğidir. Göreceli geçirgenliğin birimi yoktur; bu sadece saf bir sayı. Yani bir şey bir manyetik alana hiç tepki vermiyorsa, göreli geçirgenliği birdir, yani aynı şekilde tepki verir. tam bir boşluk, başka bir deyişle "boş alan". Göreceli geçirgenlik ne kadar yüksek olursa, manyetik tepki o kadar büyük olur. malzeme.

Bu nedenle, bir elektromıknatıs için en iyi çekirdek, göreli geçirgenliği en yüksek olan malzemedir. Göreceli geçirgenliği birden yüksek olan herhangi bir malzeme, çekirdek olarak kullanıldığında bir elektromıknatısın gücünü artıracaktır. Nikel, bir ferromanyetik malzeme örneğidir ve 100 ile 600 arasında bir nispi geçirgenliğe sahiptir. Bir elektromıknatıs için bir nikel çekirdek kullandıysanız, üretilen alanın gücü büyük ölçüde iyileşir.

Bununla birlikte, demir, yüzde 99.8 saf olduğunda 5.000'lik bir nispi geçirgenliğe sahiptir ve yüzde 99.95 saflıkta yumuşak demirin nispi geçirgenliği, 200.000 gibi devasa bir şeydir. Bu büyük göreceli geçirgenlik, demirin bir elektromıknatıs için en iyi çekirdek olmasının nedenidir. Elektromıknatıs çekirdeği için malzeme seçerken girdap akımlarından kaynaklanan atık olasılığı da dahil olmak üzere birçok husus vardır. ancak genel olarak konuşursak, demir ucuz ve etkilidir, bu nedenle ya bir şekilde çekirdek malzemeye dahil edilir ya da çekirdek saf demirden yapılır.

Birçok malzeme elektromıknatıs çekirdeği olarak çalışabilir, ancak bazı yaygın olanları demir, amorf çelik, demirdir. seramikler (demir oksit ile yapılan seramik bileşikler), silikon çelik ve demir bazlı amorf bant. Prensipte, göreceli geçirgenliği yüksek olan herhangi bir malzeme bir elektromıknatıs çekirdeği olarak kullanılabilir. Göreceli geçirgenliği 8.000 olan permalloy da dahil olmak üzere, elektromıknatıslar için çekirdek görevi görmek üzere özel olarak yapılmış bazı malzemeler vardır. Diğer bir örnek, göreli geçirgenliği 80.000 olan demir bazlı Nanoperm'dir.

Bu rakamlar etkileyicidir (ve her ikisi de biraz saf olmayan demirin geçirgenliğini aşmaktadır), ancak demir çekirdeklerin baskınlığının anahtarı, gerçekten geçirgenliklerinin ve satın alınabilirliklerinin bir karışımıdır.