Широко розглядається залізо як найкраще ядро для електромагніту, але чому? Це не єдиний магнітний матеріал, і є багато сплавів, таких як сталь, які можна було б очікувати використовувати в сучасний час. Розуміння того, чому ви частіше бачите електромагніт із залізним сердечником, ніж той, що використовує інший матеріал, дає вам короткий вступ до багатьох ключових слів пункти про науку про електромагнетизм, а також структурований підхід до пояснення, які матеріали в основному використовуються для виготовлення електромагніти. Коротше, відповідь зводиться до «проникності» матеріалу для магнітних полів.
Розуміння магнетизму та доменів
Походження магнетизму в матеріалах трохи складніше, ніж можна подумати. Хоча більшість людей знає, що такі речі, як пруткові магніти, мають "північний" і "південний" полюси, і що протилежні полюси притягують і відповідні полюси відштовхуються, походження сили не так широко зрозуміле. Зрештою магнетизм походить від руху заряджених частинок.
Електрони «обертаються» навколо ядра атома господаря, як те, як планети обертаються навколо Сонця, а електрони несуть негативний електричний заряд. Рух зарядженої частинки - ви можете сприймати це як кругову петлю, хоча це насправді не все так просто - призводить до створення магнітного поля. Це поле генерується лише електроном - крихітною частинкою масою близько мільярдної частки мільярдна мільярдна частина грама - тож вас не повинно дивувати, що поле від одного електрона - це не так такий великий. Однак він впливає на електрони в сусідніх атомах і призводить до того, що їх поля вирівнюються з вихідними. Тоді поле від них впливає на інші електрони, вони в свою чергу впливають на інших тощо. Кінцевим результатом є створення невеликого "домену" електронів, де всі магнітні поля, що створюються ними, вирівняні.
Будь-який макроскопічний шматочок матеріалу - іншими словами, зразок, достатній для того, щоб ви могли його бачити та взаємодіяти - має достатньо місця для багатьох доменів. Напрямок поля в кожному з них фактично випадковий, тому різні домени, як правило, виключають один одного. Отже, макроскопічний зразок матеріалу не матиме чистого магнітного поля. Однак, якщо ви піддаєте матеріал іншому магнітному полю, це призводить до того, що всі домени вирівнюються з ним, і тому всі вони також будуть вирівняні між собою. Коли це станеться, макроскопічний зразок матеріалу матиме магнітне поле, оскільки всі маленькі поля, так би мовити, «працюють разом».
Те, наскільки матеріал підтримує це вирівнювання доменів після видалення зовнішнього поля, визначає, який саме матеріали, які ви можете назвати "магнітними". Феромагнітні матеріали - це ті, які підтримують це вирівнювання після зовнішнього поля було видалено. Як ви, можливо, вже розібрались, знаючи свою періодичну систему, ця назва взята від заліза (Fe), а залізо - найвідоміший феромагнітний матеріал.
Як працюють електромагніти?
Опис вище наголошує на тому, що рухається електричний заряди виробляють магнітний поля. Цей зв’язок між цими двома силами є вирішальним для розуміння електромагнітів. Подібно до того, як рух електрона навколо ядра атома створює магнітне поле, рух електронів як частини електричного струму також створює магнітне поле. Це виявив Ганс Крістіан Ерстед в 1820 році, коли він помітив, що стрілка компаса відхиляється струмом, що протікає через сусідній дріт. Для прямої довжини дроту лінії магнітного поля утворюють концентричні кола, що оточують дріт.
Електромагніти використовують це явище, використовуючи котушку дроту. Коли струм протікає через котушку, магнітне поле, яке генерується кожною петлею, додається до поля генеруються іншими петлями, створюючи остаточне "північ" і "південь" (або позитивне і негативне) кінець. Це основний принцип, який лежить в основі електромагнітів.
Одного цього було б достатньо для отримання магнетизму, але електромагніти вдосконалюються з додаванням "серцевини". Це матеріал що провід обмотаний навколо, і якщо це магнітний матеріал, його властивості сприятимуть полю, яке створює котушка дріт. Поле, яке створює котушка, вирівнює магнітні домени в матеріалі, тому і котушка, і фізичне магнітне ядро працюють разом, щоб створити сильніше поле, ніж будь-яке одне.
Вибір серцевини та відносної проникності
На питання, який метал підходить для стрижнів електромагніту, відповідає “відносна проникність” матеріалу. У контексті електромагнетизму проникність матеріалу описує здатність матеріалу утворювати магнітні поля. Якщо матеріал має більш високу проникність, тоді він буде сильніше намагнічуватися у відповідь на зовнішнє магнітне поле.
Термін "родич" встановлює стандарт для порівняння проникності різних матеріалів. Проникність вільного простору отримала символ μ0 і використовується у багатьох рівняннях, що стосуються магнетизму. Це константа зі значенням μ0 = 4π × 10−7 Генрі за метр. Відносна проникність (μр) матеріалу визначається:
μр = μ / μ0
Де μ - проникність даної речовини. Відносна проникність не має одиниць; це просто чисте число. Отже, якщо щось взагалі не реагує на магнітне поле, воно має відносну проникність, що означає, що воно реагує однаково як повний вакуум, іншими словами, "вільний простір". Чим вища відносна проникність, тим більша магнітна характеристика матеріал.
Який найкращий сердечник для електромагніту?
Отже, найкращим стрижнем для електромагніту є матеріал з найбільшою відносною проникністю. Будь-який матеріал із відносною проникністю, що перевищує одиницю, збільшить міцність електромагніту при використанні в якості серцевини. Нікель є прикладом феромагнітного матеріалу, і він має відносну проникність від 100 до 600. Якби ви використовували нікелеву серцевину для електромагніту, тоді сила поля, що виробляється, буде значно покращена.
Однак залізо має відносну проникність 5000 при чистоті 99,8 відсотків, а відносна проникність м'якого заліза з чистотою 99,95 відсотка - 200 000. Ця величезна відносна проникність є тим, чому залізо є найкращим сердечником для електромагніту. Є багато міркувань при виборі матеріалу для електромагнітного сердечника, включаючи ймовірність втрат в результаті вихрових струмів, але загалом кажучи, залізо дешеве та ефективне, тому воно або якимось чином вбудовується в матеріал серцевини, або серцевина виготовляється із чистого заліза.
Які матеріали в основному використовуються для виготовлення електромагнітних сердечників?
Багато матеріалів можуть працювати як електромагнітні сердечники, але серед загальних є залізо, аморфна сталь, чорне залізо кераміка (керамічні сполуки, виготовлені з оксидом заліза), кремнієва сталь та аморфна стрічка на основі заліза. В принципі, будь-який матеріал з високою відносною проникністю може бути використаний в якості серцевини електромагніту. Є деякі матеріали, які були виготовлені спеціально для того, щоб служити сердечниками для електромагнітів, включаючи пермаллой, який має відносну проникність 8000. Інший приклад - наноперм на основі заліза, який має відносну проникність 80 000.
Ці цифри вражають (і обидва перевищують проникність злегка нечистого заліза), але запорукою домінування залізних сердечників є справді суміш їх проникності та доступності.