Γιατί το σίδερο είναι ο καλύτερος πυρήνας για έναν ηλεκτρομαγνήτη;

Περιεχόμενο

• Κατανόηση του μαγνητισμού και των τομέων
• Πώς λειτουργούν οι ηλεκτρομαγνήτες;
• Επιλογή πυρήνα και σχετική διαπερατότητα
• Ποιος είναι ο καλύτερος πυρήνας για έναν ηλεκτρομαγνήτη;
• Ποια υλικά χρησιμοποιούνται κατά κύριο λόγο για την κατασκευή ηλεκτρομαγνητικών πυρήνων;

Ο σίδηρος θεωρείται ευρέως ως ο καλύτερος πυρήνας για έναν ηλεκτρομαγνήτη, αλλά γιατί; Δεν είναι το μοναδικό μαγνητικό υλικό και υπάρχουν πολλά κράματα όπως ο χάλυβας που αναμένεται να χρησιμοποιηθούν περισσότερο στη σύγχρονη εποχή. Η κατανόηση του γιατί είναι πιθανότερο να δείτε έναν ηλεκτρομαγνήτη σιδήρου πυρήνα από έναν άλλο που χρησιμοποιεί ένα άλλο υλικό σας δίνει μια σύντομη εισαγωγή σε πολλά βασικά σημεία σχετικά με την επιστήμη του ηλεκτρομαγνητισμού, καθώς και μια δομημένη προσέγγιση για να εξηγήσετε ποια υλικά χρησιμοποιούνται ως επί το πλείστον για την κατασκευή ηλεκτρομαγνητών. Η απάντηση, με λίγα λόγια, έρχεται κάτω από την "διαπερατότητα" του υλικού σε μαγνητικά πεδία.

Κατανόηση του μαγνητισμού και των τομέων

Η προέλευση του μαγνητισμού στα υλικά είναι λίγο πιο πολύπλοκη από ό, τι νομίζετε. Ενώ οι περισσότεροι άνθρωποι γνωρίζουν ότι τα πράγματα όπως οι μαγνητοί μπάρες έχουν "βόρειους" και "νότιους" πόλους, και ότι οι αντίθετοι πόλοι προσελκύουν και ταιριάζουν πόλοι απωθούν, η προέλευση της δύναμης δεν είναι τόσο ευρέως κατανοητή. Ο μαγνητισμός τελικά προέρχεται από την κίνηση φορτισμένων σωματιδίων.

Τα ηλεκτρόνια "τροχιάζουν" τον πυρήνα του ατόμου ξενιστή λίγο σαν το πώς οι πλανήτες περιστρέφονται γύρω από τον Ήλιο και τα ηλεκτρόνια φέρουν αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο. Η κίνηση του φορτισμένου σωματιδίου - μπορείτε να το θεωρήσετε ως κυκλικό βρόχο αν και δεν είναι πραγματικά τόσο απλό - οδηγεί στη δημιουργία ενός μαγνητικού πεδίου. Αυτό το πεδίο παράγεται μόνο από ένα ηλεκτρόνιο - ένα μικροσκοπικό σωματίδιο με μάζα περίπου ενός δισεκατομμυρίου ενός δισεκατομμυρίου ενός δισεκατομμυρίου ενός γραμμαρίου - οπότε δεν πρέπει να σας εκπλήσσει ότι το πεδίο από ένα μόνο ηλεκτρόνιο δεν είναι τόσο μεγάλο. Ωστόσο, επηρεάζει τα ηλεκτρόνια στα γειτονικά άτομα και οδηγεί στα πεδία τους ευθυγραμμιζόμενα με το αρχικό. Τότε το πεδίο από αυτά επηρεάζει άλλα ηλεκτρόνια, με τη σειρά τους επηρεάζει άλλους και ούτω καθεξής. Το τελικό αποτέλεσμα είναι η δημιουργία ενός μικρού "τομέα" ηλεκτρονίων όπου όλα τα μαγνητικά πεδία που παράγονται από αυτά είναι ευθυγραμμισμένα.

Οποιοδήποτε μακροσκοπικό κομμάτι υλικού - με άλλα λόγια, ένα δείγμα αρκετά μεγάλο για να μπορείτε να βλέπετε και να αλληλεπιδράσετε με - έχει πολλά περιθώρια για πολλούς τομείς. Η κατεύθυνση του πεδίου σε κάθε ένα είναι αποτελεσματικά τυχαία, έτσι ώστε οι διάφορες περιοχές τείνουν να ακυρώνονται η μία την άλλη. Επομένως, το μακροσκοπικό δείγμα υλικού δεν θα έχει καθαρό μαγνητικό πεδίο. Ωστόσο, εάν εκθέσετε το υλικό σε άλλο μαγνητικό πεδίο, αυτό θα προκαλέσει την ευθυγράμμιση όλων των τομέων με αυτό, έτσι ώστε όλοι θα ευθυγραμμιστούν μεταξύ τους. Όταν συμβεί αυτό, το μακροσκοπικό δείγμα του υλικού θα έχει ένα μαγνητικό πεδίο, διότι όλα τα μικρά πεδία «δουλεύουν μαζί», να το πω έτσι.

Ο βαθμός στον οποίο το υλικό διατηρεί αυτή την ευθυγράμμιση των τομέων μετά την αφαίρεση του εξωτερικού πεδίου καθορίζει ποια υλικά μπορείτε να ονομάσετε "μαγνητικά". Τα σιδηρομαγνητικά υλικά είναι εκείνα που διατηρούν αυτή την ευθυγράμμιση μετά την αφαίρεση του εξωτερικού πεδίου. Όπως μπορεί να έχετε επεξεργαστεί εάν γνωρίζετε το περιοδικό σας τραπέζι, αυτό το όνομα λαμβάνεται από σίδηρο (Fe), και ο σίδηρος είναι το πιο γνωστό σιδηρομαγνητικό υλικό.

Πώς λειτουργούν οι ηλεκτρομαγνήτες;

Η παραπάνω περιγραφή τονίζει ότι κινείται ηλεκτρικός τα τέλη παράγουν μαγνητικός πεδία. Αυτή η σχέση μεταξύ των δύο δυνάμεων είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση των ηλεκτρομαγνητών. Με τον ίδιο τρόπο που η κίνηση ενός ηλεκτρονίου γύρω από τον πυρήνα ενός ατόμου παράγει ένα μαγνητικό πεδίο, η κίνηση των ηλεκτρονίων ως μέρος ενός ηλεκτρικού ρεύματος παράγει επίσης ένα μαγνητικό πεδίο. Αυτό ανακαλύφθηκε από τον Hans Christian Oersted το 1820, όταν διαπίστωσε ότι η βελόνα μιας πυξίδας εκτρέπεται από το ρεύμα που ρέει μέσα από ένα κοντινό σύρμα. Για ένα ίσιο μήκος σύρματος, οι γραμμές μαγνητικού πεδίου σχηματίζουν ομόκεντρους κύκλους που περιβάλλουν το σύρμα.

Οι ηλεκτρομαγνήτες εκμεταλλεύονται αυτό το φαινόμενο χρησιμοποιώντας ένα πηνίο σύρματος. Καθώς το ρεύμα ρέει μέσω του πηνίου, το μαγνητικό πεδίο που παράγεται από κάθε βρόχο προσθέτει στο πεδίο που παράγεται από τους άλλους βρόχους, παράγοντας ένα οριστικό άκρο "βόρεια" και "νότιο" (ή θετικό και αρνητικό). Αυτή είναι η βασική αρχή που υποβαστάζει τους ηλεκτρομαγνήτες.

Αυτό μόνο θα ήταν αρκετό για να παράγει μαγνητισμό, αλλά οι ηλεκτρομαγνήτες βελτιώνονται με την προσθήκη ενός "πυρήνα". Αυτό είναι ένα υλικό που το καλώδιο είναι τυλιγμένο γύρω, και αν είναι ένα μαγνητικό υλικό, οι ιδιότητές του θα συμβάλλουν στο πεδίο που παράγεται από πηνίο σύρμα. Το πεδίο που παράγεται από το πηνίο ευθυγραμμίζει τις μαγνητικές περιοχές στο υλικό, έτσι τόσο το πηνίο όσο και ο φυσικός μαγνητικός πυρήνας δουλεύουν από κοινού για να παράγουν ένα ισχυρότερο πεδίο από ό,

Επιλογή πυρήνα και σχετική διαπερατότητα

Το ερώτημα σε ποιο μέταλλο είναι κατάλληλο για ηλεκτρομαγνητικούς πυρήνες απαντάται από τη "σχετική διαπερατότητα" του υλικού. Στο con του ηλεκτρομαγνητισμού, η διαπερατότητα του υλικού περιγράφει την ικανότητα του υλικού να σχηματίζει μαγνητικά πεδία. Εάν ένα υλικό έχει υψηλότερη διαπερατότητα, τότε θα μαγνητίσει πιο έντονα σε απόκριση σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.

Ο "συγγενής" στον όρο θέτει ένα πρότυπο για τη σύγκριση της διαπερατότητας διαφόρων υλικών. Η διαπερατότητα του ελεύθερου χώρου δίνεται στο σύμβολο μ₀ και χρησιμοποιείται σε πολλές εξισώσεις που ασχολούνται με το μαγνητισμό. Είναι μια σταθερά με την τιμή μ₀ = 4π × 10⁻⁷ χάντρες ανά μέτρο. Η σχετική διαπερατότητα (μ_r) ενός υλικού ορίζεται από:

μ_r = μ / μ₀

Που μ είναι η διαπερατότητα της εν λόγω ουσίας. Η σχετική διαπερατότητα δεν έχει μονάδες. είναι απλώς ένας καθαρός αριθμός. Έτσι, αν κάτι δεν ανταποκρίνεται καθόλου σε ένα μαγνητικό πεδίο, έχει μια σχετική διαπερατότητα ενός, πράγμα που σημαίνει ότι ανταποκρίνεται με τον ίδιο τρόπο όπως ένα πλήρες κενό, δηλαδή ένα "ελεύθερο διάστημα". Όσο μεγαλύτερη είναι η σχετική διαπερατότητα, τόσο μεγαλύτερη είναι η μαγνητική απόκριση του υλικού.

Ποιος είναι ο καλύτερος πυρήνας για έναν ηλεκτρομαγνήτη;

Ο καλύτερος πυρήνας για έναν ηλεκτρομαγνήτη είναι επομένως το υλικό με τη μεγαλύτερη σχετική διαπερατότητα. Οποιοδήποτε υλικό με σχετική διαπερατότητα υψηλότερο από ένα θα αυξήσει την αντοχή ενός ηλεκτρομαγνήτη όταν χρησιμοποιείται ως πυρήνας. Το νικέλιο είναι ένα παράδειγμα σιδηρομαγνητικού υλικού και έχει σχετική διαπερατότητα μεταξύ 100 και 600. Εάν χρησιμοποιούσατε έναν πυρήνα νικελίου για έναν ηλεκτρομαγνήτη, τότε η ισχύς του παραγόμενου πεδίου θα βελτιωνόταν δραστικά.

Ωστόσο, ο σίδηρος έχει σχετική διαπερατότητα 5.000 όταν είναι 99.8 τοις εκατό καθαρό και η σχετική διαπερατότητα του μαλακού σιδήρου με καθαρότητα 99.95 τοις εκατό είναι ένα τεράστιο 200.000. Αυτή η τεράστια σχετική διαπερατότητα είναι γιατί ο σίδηρος είναι ο καλύτερος πυρήνας για έναν ηλεκτρομαγνήτη. Υπάρχουν πολλές εκτιμήσεις κατά την επιλογή ενός υλικού για έναν πυρήνα ηλεκτρομαγνήτη, συμπεριλαμβανομένης της πιθανότητας σπατάλης που προέρχεται από φούσκες, αλλά γενικά ο σίδηρος είναι φτηνός και αποτελεσματικός, έτσι είτε ενσωματώνεται με κάποιο τρόπο στο υλικό πυρήνα ή ο πυρήνας κατασκευάζεται από καθαρό σίδερο.

Ποια υλικά χρησιμοποιούνται κατά κύριο λόγο για την κατασκευή ηλεκτρομαγνητικών πυρήνων;

Πολλά υλικά μπορούν να λειτουργήσουν ως πυρήνες ηλεκτρομαγνήτη, αλλά μερικές κοινές είναι ο σίδηρος, ο άμορφος χάλυβας, τα σιδηρούχα κεραμικά (κεραμικές ενώσεις που κατασκευάζονται με οξείδιο σιδήρου), ο πυριτιούχος χάλυβας και η άμορφη ταινία με βάση το σίδηρο. Κατ 'αρχήν, οποιοδήποτε υλικό με υψηλή σχετική διαπερατότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πυρήνας ηλεκτρομαγνήτη. Υπάρχουν ορισμένα υλικά που έχουν κατασκευαστεί ειδικά για να χρησιμεύσουν ως πυρήνες για ηλεκτρομαγνήτες, συμπεριλαμβανομένου του permalloy, το οποίο έχει σχετική διαπερατότητα 8.000. Ένα άλλο παράδειγμα είναι το Nanoperm με βάση το σίδηρο, το οποίο έχει σχετική διαπερατότητα 80.000.

Αυτοί οι αριθμοί είναι εντυπωσιακοί (και οι δύο υπερβαίνουν τη διαπερατότητα του ελαφρώς ακάθαρτου σιδήρου), αλλά το κλειδί για την κυριαρχία των πυρήνων σιδήρου είναι πραγματικά ένα μείγμα της διαπερατότητας και της προσιτότητάς τους.