Садржај
- Разумевање магнетизма и домена
- Како раде електромагнети?
- Избор језгре и релативна пропустљивост
- Које је најбоље језгро за електромагнет?
- Који се материјали најчешће користе за прављење језгра електромагнета?
Гвожђе се широко сматра најбољим језгром за електромагнет, али зашто? То није једини магнетни материјал, а постоји мноштво легура попут челика за које бисте могли очекивати да ће их више користити у модерном добу. Разумевање зашто је већа вероватноћа да ћете видети електромагнет са железном језгром него један други материјал даје вам кратки увод у многе кључне тачке о науци о електромагнетизму, као и структурирани приступ објашњавању који материјали се највише користе за прављење електромагнета. Одговор се, укратко, своди на "пропусност" материјала за магнетна поља.
Разумевање магнетизма и домена
Порекло магнетизма у материјалима мало је сложеније него што можда мислите. Иако већина људи зна да ствари попут барских магнета имају „северни“ и „јужни“ пол, и да супротни полови привлаче и поклапајуће полове одбијају, порекло силе није толико схваћено. Магнетизам у коначници произилази из покрета набијених честица.
Електрони „орбитирају“ језгром атома домаћина помало налик на то како планете круже око Сунца, а електрони носе негативан електрични набој. Кретање наелектрисане честице - можете то сматрати кружном петљом, мада то и није баш тако једноставно - доводи до стварања магнетног поља. Ово поље генерише само електрон - ситна честица масе око милијарду милијарди милијарди милијарди грама - тако да вас не би требало чудити да поље из једног електрона није толико велико. Међутим, он утиче на електроне у суседним атомима и води до тога да се њихова поља поравнају са изворним. Тада поље из тих утиче на друге електроне, они заузврат утичу на друге и тако даље. Крајњи резултат је стварање малог „домена“ електрона где су сва магнетна поља произведена од њих поравнана.
Било који макроскопски део материјала - другим речима, узорак довољно велик да га можете видети и комуницирати - има довољно простора за мноштво домена. Правац поља у сваком од њих је ефективно насумичан, па различите домене имају тенденцију да се међусобно откажу. Према томе, макроскопски узорак материјала неће имати магнетно поље. Међутим, ако изложите материјал другом магнетном пољу, то ће узроковати да се сви домени поравнају с њим, па ће се сви такође поравнати једни с другима. Када се то догоди, макроскопски узорак материјала имаће магнетно поље, јер сва мала поља „заједно раде“, да тако кажем.
Степен до ког материјал одржава ово поравнање домена након уклањања спољног поља одређује које материјале можете назвати „магнетним“. Феромагнетни материјали су они који одржавају ово поравнање након уклањања спољног поља. Као што сте можда радили ако знате своју периодичну табелу, ово име је узето од гвожђа (Фе), а гвожђе је најпознатији феромагнетни материјал.
Како раде електромагнети?
Горњи опис наглашава то кретање електрични оптужбе производе магнетно поља. Ова веза двеју сила је пресудна за разумевање електромагнета. На исти начин као што кретање електрона око језгре атома ствара магнетно поље, кретање електрона као дела електричне струје такође производи магнетно поље. Ово је открио Ханс Цхристиан Оерстед 1820. године, приметивши да је игла компаса одбијена струјом која тече кроз оближњу жицу. За равну дужину жице, линије магнетног поља формирају концентричне кругове који окружују жицу.
Електромагнети искориштавају овај феномен користећи завојницу жице. Док струја тече кроз завојницу, магнетно поље које генерише свака петља додаје се пољу које генеришу остале петље, стварајући дефинитивни крај „север“ и „југ“ (или позитиван и негативан). Ово је основни принцип који подупире електромагнете.
Само ово би било довољно за производњу магнетизма, али електромагнети се побољшавају додатком језгре. Ово је материјал којим се жица омота, а ако је магнетни материјал, његова својства ће допринети пољу које производи завојница жице. Поље које производи завојница поравнава магнетне домене у материјалу, тако да завојница и физичко магнетно језгро делују заједно да би створили јаче поље него што је и једно и друго могло.
Избор језгре и релативна пропустљивост
На питање који је метал погодан за електромагнетне језгре добија се „релативна пропустљивост“ материјала. У смислу електромагнетизма, пропусност материјала описује способност материјала да формира магнетна поља. Ако материјал има већу пропусност, онда ће он магнетизовати снажније као одговор на спољно магнетно поље.
"Релативни" у овом изразу поставља стандард за поређење пропусности различитих материјала. Пропустљивост слободног простора је дата симболу μ0 и користи се у многим једначинама које се баве магнетизмом. То је константа са вредности μ0 = 4π × 10−7 хенриес по метру. Релативна пропустљивост (μр) материјала је дефинисано са:
μр = μ / μ0
Где μ је пропусност дотичне супстанце. Релативна пропустљивост нема јединице; то је само чист број. Дакле, ако нешто уопште не реагује на магнетно поље, има релативну пропусност од једног, што значи да реагује на исти начин као потпуни вакуум, другим речима, „слободни простор.“ Што је већа релативна пропустљивост, већи је магнетни одзив материјала.
Које је најбоље језгро за електромагнет?
Најбоље језгро за електромагнет је стога материјал с највећом релативном пропустљивошћу. Било који материјал са релативном пропустљивошћу већом од једног, повећаће снагу електромагнета када се користи као језгра. Никал је пример феромагнетног материјала и његова релативна пропустљивост је између 100 и 600. Ако бисте користили језгро никла за електромагнет, јачина поља која се ствара драстично би се побољшала.
Међутим, гвожђе има релативну пропустљивост од 5.000 када је чистоће 99.8 процената, а релативна пропустљивост меког гвожђа са 99.95 процената чистоће је огромних 200.000. Та огромна релативна пропустљивост је зато гвожђе најбоље језгро за електромагнет. Много је разматрања приликом избора материјала за језгро електромагнета, укључујући вероватноћу расипања која је последица вртложне струје, али генерално гледано, гвожђе је јефтино и ефикасно, тако да је или некако уграђено у материјал језгре или је језгра направљена од чистог гвожђе.
Који се материјали најчешће користе за прављење језгра електромагнета?
Многи материјали могу радити као језгре електромагнета, али неки од уобичајених су гвожђе, аморфни челик, обојена керамика (керамичка једињења која се праве гвожђим оксидом), силицијум челик и аморфна трака на бази гвожђа. У принципу, сваки материјал високе пропустљивости може се користити као језгра електромагнета. Постоје материјали који су направљени посебно да служе као језгре електромагнета, укључујући пермаллои, који има пропусност од 8000. Други пример је Наноперм на бази гвожђа који има релативну пропустљивост од 80 000.
Ови бројеви су импресивни (и оба прелазе пропустљивост благо нечистог гвожђа), али кључ за доминацију жељезних језгара заиста је мешавина њихове пропустљивости и њихове приступачне цене.