Sisältö
- Magnetismin ja verkkotunnusten ymmärtäminen
- Kuinka sähkömagneetit toimivat?
- Ydimen ja suhteellisen läpäisevyyden valitseminen
- Mikä on paras sähkömagneetin ydin?
- Mitä materiaaleja käytetään eniten sähkömagneettisten ytimien valmistukseen?
Rautaa pidetään laajalti parhaana ytimenä sähkömagneettiin, mutta miksi? Se ei ole ainoa magneettinen materiaali, ja siellä on runsaasti seoksia, kuten terästä, joita saatat odottaa käyttävän enemmän nykyaikana. Ymmärrys, miksi näet rautaydin-sähkömagneetin todennäköisemmin kuin sellainen, jossa käytetään toista materiaalia, antaa sinulle lyhyen johdannon moniin sähkömagneettisuuden tieteen avainkohtiin sekä jäsennellyn lähestymistavan selittämiseen, mitä materiaaleja käytetään enimmäkseen sähkömagneettien valmistukseen. Lyhyesti sanottuna, vastaus tulee materiaalin magneettikentän "läpäisevyyteen".
Magnetismin ja verkkotunnusten ymmärtäminen
Materiaalien magneettisuuden alkuperä on hiukan monimutkaisempi kuin luulisi. Vaikka suurin osa ihmisistä tietää, että esimerkiksi baarimagneeteilla on ”pohjoinen” ja “etelä” navat ja että vastakkaiset navat vetävät puoleensa ja vastaavat navat hylkivät, voiman alkuperä ei ole yhtä laajasti ymmärretty. Magnetismi johtuu viime kädessä varautuneiden hiukkasten liikkeestä.
Elektronit “kiertävät” isäntäatomin ydintä vähän samalla tavalla kuin miten planeetat kiertävät aurinkoa, ja elektronit kantavat negatiivisen sähkövarauksen. Varatun hiukkasen liike - voit ajatella sitä pyöreänä silmukkana, vaikka se ei oikeastaan olekaan niin yksinkertaista - johtaa magneettikentän luomiseen. Tämän kentän tuottaa vain elektroni - pieni hiukkanen, jonka massa on noin miljardi miljardia grammaa - miljardia grammaa - joten ei pitäisi yllättää, että yhden elektronin kenttä ei ole niin suuri. Se vaikuttaa kuitenkin vierekkäisten atomien elektroniin ja johtaa niiden kenttien suuntaamiseen alkuperäisen atomin kanssa. Sitten näiden kenttä vaikuttaa muihin elektroneihin, ne puolestaan vaikuttavat toisiin ja niin edelleen. Lopputulos on pienen elektronien ”domeenin” luominen, jossa kaikki niiden tuottamat magneettikentät ovat kohdistettuina.
Kaikilla makroskooppisilla materiaaleilla - toisin sanoen riittävän suuri näyte, jotta voit nähdä ja olla vuorovaikutuksessa - on runsaasti tilaa monille verkkotunnuksille. Kummankin kentän suunta on käytännössä satunnainen, joten eri domeeneilla on taipumus peruuttaa toisiaan. Siksi materiaalin makroskooppisessa näytteessä ei ole verkkomagneettikentää. Jos kuitenkin altistat materiaalin toiselle magneettikentälle, tämä aiheuttaa sen, että kaikki domeenit kohdistuvat siihen, ja siten ne kaikki myös kohdistuvat toisiinsa. Kun tämä on tapahtunut, materiaalin makroskooppisessa näytteessä on magneettikenttä, koska kaikki pienet kentät toimivat niin sanotusti yhdessä.
Se, missä määrin materiaali ylläpitää tätä alueiden kohdistusta ulkoisen kentän poistamisen jälkeen, määrää, mitä materiaaleja voit kutsua "magneettiseksi". Ferromagneettiset materiaalit ovat niitä, jotka ylläpitävät tätä kohdistusta ulkoisen kentän poistamisen jälkeen. Kuten olet ehkä työskennellyt, jos tiedät jaksollisen taulukon, tämä nimi on otettu raudasta (Fe) ja rauta on tunnetuin ferromagneettinen materiaali.
Kuinka sähkömagneetit toimivat?
Yllä oleva kuvaus korostaa liikkumista sähköinen maksut tuottavat magneettinen kenttiä. Tämä yhteys kahden voiman välillä on ratkaisevan tärkeä sähkömagneettien ymmärtämiseksi. Samoin kuin elektronin liike atomin ytimen ympärillä tuottaa magneettikentän, elektronien liikkeet osana sähkövirtaa tuottavat myös magneettikentän. Hans Christian Oersted löysi tämän vuonna 1820, kun hän huomasi kompassin neulan taipuvan lähellä olevan johdon läpi virtaavan virran. Langan suoraa pituutta varten magneettikentän viivat muodostavat lankaa ympäröivät samankeskiset ympyrät.
Sähkömagneetit hyödyntävät tätä ilmiötä käyttämällä lankakelaa. Kun virta virtaa kelan läpi, kunkin silmukan generoima magneettikenttä lisää muiden silmukoiden generoimaan kenttään, tuottaen lopullisen ”pohjoisen” ja ”etelän” (tai positiivisen ja negatiivisen) pään. Tämä on sähkömagneettien perusta.
Pelkästään tämä riittää tuottamaan magneettisuutta, mutta sähkömagneetteja parannetaan lisäämällä ”ydin”. Tämä on materiaali, jonka lanka on kääritty, ja jos kyseessä on magneettinen materiaali, sen ominaisuudet vaikuttavat elektroniikan tuottamaan kenttään. lankakela. Käämin tuottama kenttä kohdistaa materiaalin magneettiset alueet, joten sekä kela että fyysinen magneettinen ydin toimivat yhdessä voimakkaamman kentän tuottamiseksi kuin kumpikaan yksin pystyisi.
Ydimen ja suhteellisen läpäisevyyden valitseminen
Kysymykseen, mikä metalli sopii sähkömagneettisille ytimille, vastataan materiaalin ”suhteellisella läpäisevyydellä”. Sähkömagneettisuuden yhteydessä materiaalin läpäisevyys kuvaa materiaalin kykyä muodostaa magneettikenttiä. Jos materiaalilla on parempi läpäisevyys, niin se magnetoituu voimakkaammin vasteena ulkoiselle magneettikentälle.
Termin ”suhteellinen” asettaa standardin eri materiaalien läpäisevyyden vertailulle. Vapaan tilan läpäisevyys annetaan symbolilla μ0 ja sitä käytetään monissa magnetiikkaa käsittelevissä yhtälöissä. Se on vakio arvolla μ0 = 4π × 10−7 henkeä metriä kohti. Suhteellinen läpäisevyys (μR) materiaalin määrittelee:
μR = μ / μ0
Missä μ on kyseisen aineen läpäisevyys. Suhteellisella läpäisevyydellä ei ole yksikköä; se on vain puhdas luku. Joten jos jokin ei reagoi lainkaan magneettikentään, sen suhteellinen läpäisevyys on yksi, mikä tarkoittaa, että se reagoi samalla tavalla kuin täydellinen tyhjiö, toisin sanoen "vapaa tila". Mitä korkeampi suhteellinen läpäisevyys, sitä suurempi on materiaalin magneettinen vaste.
Mikä on paras sähkömagneetin ydin?
Paras ydin sähkömagneettiin on siksi materiaali, jolla on suurin suhteellinen läpäisevyys. Mikä tahansa materiaali, jonka suhteellinen läpäisevyys on suurempi kuin yksi, lisää sähkömagneetin lujuutta, kun sitä käytetään ytimenä. Nikkeli on esimerkki ferromagneettisesta materiaalista, ja sen suhteellinen läpäisevyys on välillä 100 - 600. Jos käytit nikkelin ydintä sähkömagneettiin, tuotetun kentän lujuus paranee huomattavasti.
Raudan suhteellinen läpäisevyys on kuitenkin 5 000, kun se on 99,8 prosenttia puhdasta, ja pehmeän raudan, jonka puhtaus on 99,95 prosenttia, suhteellinen läpäisevyys on massiivinen 200 000. Tämän valtavan suhteellisen läpäisevyyden vuoksi rauta on paras ydin sähkömagneettiin. Sähkömagneettiselle ytimelle materiaalia valittaessa on monia näkökohtia, mukaan lukien pyörrevirroista johtuvan tuhlauksen todennäköisyys, mutta yleisesti ottaen rauta on halpaa ja tehokasta, joten se joko sisällytetään jotenkin ydinmateriaaliin tai ydin on tehty puhdasta rauta.
Mitä materiaaleja käytetään eniten sähkömagneettisten ytimien valmistukseen?
Monet materiaalit voivat toimia sähkömagneettisina ytiminä, mutta joitakin yleisiä ovat rauta, amorfinen teräs, rautakeramiikat (rautaoksidilla valmistetut keraamiset yhdisteet), piiteräs ja rautapohjainen amorfinen teippi. Periaatteessa mitä tahansa materiaalia, jolla on korkea suhteellinen läpäisevyys, voidaan käyttää sähkömagneettinaytimenä. Jotkut materiaalit, jotka on valmistettu erityisesti toimimaan sydämeinä sähkömagneetteille, mukaan lukien permalloy, jonka suhteellinen läpäisevyys on 8000. Toinen esimerkki on rautapohjainen Nanoperm, jonka suhteellinen läpäisevyys on 80 000.
Nämä luvut ovat vaikuttavia (ja molemmat ylittävät hiukan epäpuhtaan raudan läpäisevyyden), mutta avain rautasydämien hallitsevuuteen on todella sekoitus niiden läpäisevyyteen ja kohtuuhintaisuuteen.