Содержание
- Понимание магнетизма и доменов
- Как работают электромагниты?
- Выбор основной и относительной проницаемости
- Что такое лучшее ядро для электромагнита?
- Какие материалы чаще всего используются для изготовления электромагнитных сердечников?
Железо считается лучшим сердечником для электромагнита, но почему? Это не единственный магнитный материал, и существует множество сплавов, таких как сталь, которые вы могли бы ожидать более широко использовать в современную эпоху. Понимание того, почему вы с большей вероятностью увидите электромагнит с железным сердечником, чем тот, который использует другой материал, дает вам краткое введение во многие ключевые моменты науки об электромагнетизме, а также структурированный подход к объяснению, какие материалы чаще всего используются для изготовления электромагнитов. Короче говоря, ответ сводится к «проницаемости» материала для магнитных полей.
Понимание магнетизма и доменов
Происхождение магнетизма в материалах немного сложнее, чем вы думаете. Хотя большинство людей знают, что такие вещи, как стержневые магниты, имеют «северный» и «южный» полюсы и что противоположные полюса притягивают и совпадают, полюсы отталкивают, происхождение силы не так широко понимается. Магнетизм, в конечном счете, связан с движением заряженных частиц.
Электроны «вращаются» вокруг ядра атома-хозяина, немного похоже на то, как планеты вращаются вокруг Солнца, а электроны несут отрицательный электрический заряд. Движение заряженной частицы - вы можете думать о ней как о круговой петле, хотя на самом деле все не так просто - приводит к созданию магнитного поля. Это поле генерируется только электроном - крошечной частицей, масса которой составляет около одной миллиардной миллиардной миллиардной доли грамма - поэтому вас не должно удивлять, что поле одного электрона не такое большое. Однако это влияет на электроны в соседних атомах и приводит к выравниванию их полей с исходным. Тогда поля от этих влияют на другие электроны, они в свою очередь влияют на другие и так далее. Конечным результатом является создание небольшого «домена» электронов, в котором все создаваемые ими магнитные поля выровнены.
Любая макроскопическая часть материала - другими словами, достаточно большой образец, чтобы вы могли видеть и взаимодействовать с ним - имеет достаточно места для множества областей. Направление поля в каждом из них является практически случайным, поэтому различные области имеют тенденцию взаимно компенсировать друг друга. Следовательно, макроскопический образец материала не будет иметь чистого магнитного поля. Однако, если вы подвергаете материал воздействию другого магнитного поля, это приводит к тому, что все домены совпадают с ним, и поэтому все они также будут выровнены друг с другом. Когда это произойдет, макроскопический образец материала будет иметь магнитное поле, потому что все маленькие поля «работают вместе», так сказать.
Степень, в которой материал поддерживает это выравнивание доменов после удаления внешнего поля, определяет, какие материалы вы можете назвать «магнитными». Ферромагнитные материалы - это те, которые поддерживают это выравнивание после удаления внешнего поля. Как вы уже поняли, если знаете свою периодическую таблицу, это название взято из железа (Fe), а железо является самым известным ферромагнитным материалом.
Как работают электромагниты?
В приведенном выше описании подчеркивается, что перемещение электрический обвинения производят магнитные поля. Эта связь между двумя силами имеет решающее значение для понимания электромагнитов. Точно так же, как движение электрона вокруг ядра атома создает магнитное поле, движение электронов как части электрического тока также создает магнитное поле. Это было открыто Гансом Кристианом Эрстедом в 1820 году, когда он заметил, что стрелка компаса была отклонена током, протекающим через ближайший провод. Для прямой длины провода линии магнитного поля образуют концентрические круги, окружающие провод.
Электромагниты используют это явление, используя катушку с проволокой. Когда ток течет через катушку, магнитное поле, создаваемое каждой петлей, добавляет к полю, генерируемому другими петлями, создавая определенный «север» и «юг» (или положительный и отрицательный) конец. Это основной принцип, лежащий в основе электромагнитов.
Одного этого было бы достаточно для создания магнетизма, но электромагниты улучшаются с добавлением «сердечника». Это материал, вокруг которого наматывается проволока, и если это магнитный материал, его свойства будут влиять на поле, создаваемое катушка провода. Поле, создаваемое катушкой, выравнивает магнитные домены в материале, поэтому и катушка, и физический магнитный сердечник работают вместе, создавая более сильное поле, чем любой из них в отдельности.
Выбор основной и относительной проницаемости
На вопрос, какой металл подходит для сердечников электромагнита, отвечает «относительная проницаемость» материала. В противовес электромагнетизму проницаемость материала описывает способность материала образовывать магнитные поля. Если материал обладает более высокой проницаемостью, он будет намагничиваться сильнее в ответ на внешнее магнитное поле.
«Относительный» в этом термине устанавливает стандарт для сравнения проницаемости различных материалов. Проницаемость свободного пространства обозначается символом μ0 и используется во многих уравнениях, касающихся магнетизма. Это константа со значением μ0 = 4π × 10−7 Генри за метр. Относительная проницаемость (μр) материала определяется:
μр = μ / μ0
где μ является проницаемостью рассматриваемого вещества. Относительная проницаемость не имеет единиц измерения; это просто чистое число. Поэтому, если что-то совсем не реагирует на магнитное поле, оно имеет относительную проницаемость, равную единице, что означает, что оно реагирует так же, как полный вакуум, иными словами, «свободное пространство». Чем выше относительная проницаемость, чем больше магнитный отклик материала.
Что такое лучшее ядро для электромагнита?
Поэтому лучшим сердечником для электромагнита является материал с самой высокой относительной проницаемостью. Любой материал с относительной проницаемостью выше единицы увеличивает прочность электромагнита при использовании в качестве сердечника. Никель является примером ферромагнитного материала, и его относительная проницаемость составляет от 100 до 600. Если вы используете никелевый сердечник для электромагнита, тогда напряженность создаваемого поля будет резко улучшена.
Однако железо имеет относительную проницаемость 5000, когда оно имеет чистоту 99,8%, а относительная проницаемость мягкого железа с чистотой 99,95% составляет огромные 200 000. Эта огромная относительная проницаемость - вот почему железо является лучшим сердечником для электромагнита. При выборе материала для сердечника электромагнита существует множество соображений, в том числе вероятность потерь в результате вихревых токов, но, вообще говоря, железо дешевое и эффективное, поэтому оно либо каким-либо образом включено в материал сердечника, либо сердечник сделан из чистого утюг.
Какие материалы чаще всего используются для изготовления электромагнитных сердечников?
Многие материалы могут работать как сердечники электромагнита, но некоторые распространенные из них - это железо, аморфная сталь, железная керамика (керамические соединения, изготовленные с оксидом железа), кремниевая сталь и аморфная лента на основе железа. В принципе, любой материал с высокой относительной проницаемостью может быть использован в качестве сердечника электромагнита. Существуют некоторые материалы, специально предназначенные для использования в качестве сердечников для электромагнитов, в том числе пермаллой, относительная проницаемость которого составляет 8000. Другой пример - наноперман на основе железа, относительная проницаемость которой составляет 80000.
Эти цифры впечатляют (и оба превышают проницаемость слегка загрязненного железа), но ключ к доминированию железных сердечников - это смесь их проницаемости и доступности.