Sisu
- Magnetismi ja domeenide mõistmine
- Kuidas elektromagnetid töötavad?
- Tuuma ja suhtelise läbilaskvuse valimine
- Mis on elektromagneti jaoks parim südamik?
- Milliseid materjale kasutatakse enamasti elektromagnetiliste südamike valmistamiseks?
Rauda peetakse laialdaselt parimaks elektromagneti tuumaks, kuid miks? See pole ainus magnetiline materjal ja seal on palju sulameid, näiteks terast, mida võiksite arvata, et neid kasutatakse tänapäeval rohkem. Mõistmine, miks näete raudsüdamiku elektromagneti tõenäolisemalt kui see, kui kasutate teist materjali, annab teile lühikese sissejuhatuse paljudesse elektromagnetismi teaduse põhipunktidesse ja struktureeritud lähenemisviisi selgitamiseks, milliseid materjale elektromagnetide valmistamiseks enamasti kasutatakse. Lühidalt öeldes taandub vastus materjali magnetväljade läbilaskvusele.
Magnetismi ja domeenide mõistmine
Materjalide magnetilisuse päritolu on pisut keerukam, kui võite arvata. Kuigi enamik inimesi teab, et sellistel asjadel nagu baarimagnetitel on „põhja” ja „lõuna” poolused ning et vastaspoolused tõmbavad kohale ja vastavad postid tõrjuvad, pole jõu päritolu nii laialt mõistetav. Magnetism tuleneb lõpuks laetud osakeste liikumisest.
Elektronid "tiirlevad" peremeesraku tuumas veidi sarnaselt sellele, kuidas planeedid tiirlevad Päikesest ja elektronid kannavad negatiivset elektrilaengut. Laetud osakese liikumine - võite mõelda sellele kui ümmargusele silmusele, ehkki see pole tegelikult nii lihtne - viib magnetvälja tekkeni. Seda välja genereerib ainult elektron - pisike osake, mille mass on umbes miljard miljardit miljardit grammi -, nii et see ei tohiks teid üllatada, et ühe elektroni väli pole nii suur. Kuid see mõjutab naaberaatomites olevaid elektrone ja viib nende väljad joondudes algsesse. Siis mõjutab nendest tulenev väli teisi elektrone, nad omakorda mõjutavad teisi ja nii edasi. Lõpptulemus on väikese elektronide "domeeni" loomine, kus kõik nende tekitatud magnetväljad on joondatud.
Igasugusel makroskoopilisel materjalil - teisisõnu - piisavalt suur proov, et saaksite seda näha ja sellega suhelda - on palju ruumi paljudele domeenidele. Väljade suund mõlemas on tegelikult juhuslik, seega kipuvad erinevad domeenid üksteist tühistama. Materjali makroskoopilisel proovil ei ole seega netomagnetvälja. Kui aga paljastate materjali mõnele teisele magnetväljale, siis see viib kõik domeenid sellega vastavusse ja nii joonduvad nad kõik ka üksteisega. Kui see on juhtunud, on materjali makroskoopilisel proovil magnetväli, sest kõik väikesed väljad töötavad nii-öelda koos.
See, mil määral materjal pärast välise välja eemaldamist säilitab selle domeenide joondamise, määrab, milliseid materjale saate nimetada „magnetiliseks”. Ferromagnetilised materjalid on need, mis säilitavad selle joondamise ka pärast välise välja eemaldamist. Nagu olete oma perioodilise tabeli tundmise korral juba välja töötanud, on see nimi võetud rauast (Fe) ja raud on tuntuim ferromagnetiline materjal.
Kuidas elektromagnetid töötavad?
Ülaltoodud kirjeldus rõhutab seda kolimist elektriline tasud toota magnetiline väljad. See kahe jõu vaheline seos on elektromagnetide mõistmiseks ülioluline. Samamoodi nagu elektroni liikumine aatomi tuuma ümber tekitab magnetvälja, tekitab elektronide liikumine elektrivoolu osana ka magnetvälja. Selle avastas Hans Christian Oersted 1820. aastal, kui ta märkas, et kompassi nõel on lähedal asuva traadi kaudu voolava voolu poolt painutatud. Traadi sirge pikkuse korral moodustavad magnetvälja read traati ümbritsevad kontsentrilised ringid.
Elektromagnetid kasutavad seda nähtust ära juhtme mähise abil. Kui vool voolab läbi mähise, lisab iga silmuse genereeritud magnetväli teiste silmuste genereeritud välja, andes kindla „põhja” ja „lõuna” (või positiivse ja negatiivse) otsa. See on elektromagnetide aluspõhimõte.
Ainuüksi sellest piisaks magnetismi tekitamiseks, kuid elektromagneteid täiustatakse „südamiku” lisamisega. See on materjal, mille traat on ümber keeratud, ja kui see on magnetiline materjal, siis aitavad selle omadused kaasa elektrivälja tekitatavale väljale. traadi mähis. Mähise tekitatud väli joondab materjali magnetdomeenid, nii et nii mähis kui ka füüsiline magnetiline südamik töötavad koos tugevama välja tekitamiseks, kui kumbki üksi suudaks.
Tuuma ja suhtelise läbilaskvuse valimine
Küsimusele, milline metall sobib elektromagnetiliste südamike jaoks, antakse vastus materjali “suhtelise läbilaskvuse” abil. Elektromagnetismi korral kirjeldab materjali läbilaskvus materjali võimet moodustada magnetvälju. Kui materjalil on suurem läbilaskvus, siis see magnetiseerub vastusena välisele magnetväljale tugevamalt.
Mõiste “suhteline” seab standardi erinevate materjalide läbilaskvuse võrdlemiseks. Vaba ruumi läbilaskvus on tähistatud μ0 ja seda kasutatakse paljudes magnetismi käsitlevates võrrandites. See on väärtusega konstant μ0 = 4π × 10−7 henreid meetri kohta. Suhteline läbilaskvus (μr) materjali määratletakse järgmiselt:
μr = μ / μ0
Kus μ on kõnealuse aine läbilaskvus. Suhtelisel läbilaskvusel pole ühikuid; see on lihtsalt puhas number. Niisiis, kui miski ei reageeri magnetväljale üldse, on selle suhteline läbilaskvus üks, mis tähendab, et see reageerib samamoodi nagu täielik vaakum, teisisõnu “vaba ruum”. Mida suurem on suhteline läbilaskvus, seda suurem on materjali magnetiline vastus.
Mis on elektromagneti jaoks parim südamik?
Seetõttu on elektromagneti jaoks parim tuum kõrgeima suhtelise läbilaskvusega materjal. Mis tahes materjal, mille suhteline läbilaskvus on suurem kui üks, suurendab südamikuna kasutamisel elektromagneti tugevust. Nikkel on näide ferromagnetilisest materjalist ja selle suhteline läbilaskvus on vahemikus 100 kuni 600. Kui kasutaksite elektromagneti jaoks nikli südamikku, paraneks tekkiva välja tugevus järsult.
Raua suhteline läbilaskvus on aga 5000, kui selle puhtus on 99,8 protsenti, ja 99,95-protsendilise puhtusega pehme raua suhteline läbilaskvus on tohutu 200 000. See tohutu suhteline läbilaskvus on põhjus, miks raud on elektromagneti jaoks parim tuum. Elektromagnetilise südamiku materjali valimisel on palju kaalutlusi, sealhulgas pöörisvooludest põhjustatud raiskamise tõenäosus, kuid üldiselt on raud odav ja efektiivne, nii et see on kas kuidagi südamiku materjali sisse viidud või tuum on valmistatud puhtast rauda.
Milliseid materjale kasutatakse enamasti elektromagnetiliste südamike valmistamiseks?
Paljud materjalid võivad töötada elektromagnetiliste südamikena, kuid mõned levinumad neist on raud, amorfne teras, raudkeraamika (keraamilised ühendid, mis on valmistatud raudoksiidiga), räni teras ja raudpõhine amorfne teip. Põhimõtteliselt võib elektromagnetilise südamikuna kasutada mis tahes materjali, millel on kõrge suhteline läbilaskvus. Mõned materjalid on valmistatud spetsiaalselt elektromagnetide südamikeks, sealhulgas permaluumi, mille suhteline läbilaskvus on 8000. Teine näide on raudpõhine Nanoperm, mille suhteline läbilaskvus on 80 000.
Need arvud on muljetavaldavad (ja mõlemad ületavad kergelt ebapuhta raua läbilaskvust), kuid rauasisüdamike domineerimise võti on tõesti segu nende läbilaskvusest ja taskukohasusest.