Inhoud
- Magnetisme en domeinen begrijpen
- Hoe werken elektromagneten?
- Een kern en relatieve permeabiliteit kiezen
- Wat is de beste kern voor een elektromagneet?
- Welke materialen worden meestal gebruikt voor het maken van elektromagnetische kernen?
IJzer wordt algemeen beschouwd als de beste kern voor een elektromagneet, maar waarom? Het is niet het enige magnetische materiaal, en er zijn tal van legeringen zoals staal waarvan je zou verwachten dat het in de moderne tijd meer zal worden gebruikt. Begrijpen waarom je eerder een elektromagneet met ijzeren kern ziet dan een elektromagneet met een ander materiaal, geeft je een korte inleiding op veel belangrijke punten over de wetenschap van elektromagnetisme, evenals een gestructureerde benadering om uit te leggen welke materialen het meest worden gebruikt voor het maken van elektromagneten. Het antwoord komt, kort gezegd, neer op de "permeabiliteit" van het materiaal voor magnetische velden.
Magnetisme en domeinen begrijpen
De oorsprong van magnetisme in materialen is iets complexer dan je zou denken. Terwijl de meeste mensen weten dat dingen zoals staafmagneten "noord" en "zuid" polen hebben, en dat tegenovergestelde polen aantrekken en bijpassende polen afstoten, wordt de oorsprong van de kracht niet zo breed begrepen. Magnetisme komt uiteindelijk voort uit de beweging van geladen deeltjes.
Elektronen "draaien" rond de kern van het gastheeratoom, een beetje zoals planeten rond de zon draaien, en elektronen dragen een negatieve elektrische lading. De beweging van het geladen deeltje - je kunt het zien als een cirkelvormige lus, hoewel het niet echt zo eenvoudig is - leidt tot de vorming van een magnetisch veld. Dit veld wordt alleen gegenereerd door een elektron - een klein deeltje met een massa van ongeveer een miljardste van een miljardste van een miljardste gram - dus het zal je niet verbazen dat het veld van een enkel elektron niet zo groot is. Het heeft echter wel invloed op elektronen in aangrenzende atomen en leidt ertoe dat hun velden in lijn liggen met de oorspronkelijke. Dan beïnvloedt het veld van deze andere elektronen, zij beïnvloeden op hun beurt anderen enzovoort. Het eindresultaat is het creëren van een klein "domein" van elektronen waar alle door hen geproduceerde magnetische velden zijn uitgelijnd.
Elk macroscopisch stukje materiaal - met andere woorden, een monster dat groot genoeg is om te zien en om mee te werken - heeft voldoende ruimte voor veel domeinen. De richting van het veld in elk veld is effectief willekeurig, dus de verschillende domeinen hebben de neiging elkaar op te heffen. Het macroscopische materiaalmonster zal daarom geen netto magnetisch veld hebben. Als u het materiaal echter aan een ander magnetisch veld blootstelt, worden alle domeinen hiermee uitgelijnd en worden ze dus ook allemaal op elkaar afgestemd. Wanneer dit is gebeurd, zal het macroscopische monster van het materiaal een magnetisch veld hebben, omdat alle kleine velden zogezegd 'samenwerken'.
De mate waarin een materiaal deze uitlijning van domeinen handhaaft nadat het externe veld is verwijderd, bepaalt welke materialen u 'magnetisch' kunt noemen. Ferromagnetische materialen zijn materialen die deze uitlijning behouden nadat het externe veld is verwijderd. Zoals je misschien hebt vastgesteld als je je periodieke tabel kent, is deze naam ontleend aan ijzer (Fe) en ijzer is het bekendste ferromagnetische materiaal.
Hoe werken elektromagneten?
De bovenstaande beschrijving benadrukt dat bewegen elektrisch kosten produceren magnetisch velden. Deze link tussen de twee krachten is cruciaal voor het begrijpen van elektromagneten. Op dezelfde manier als de beweging van een elektron rond de kern van een atoom een magnetisch veld produceert, produceert de beweging van elektronen als onderdeel van een elektrische stroom ook een magnetisch veld. Dit werd ontdekt door Hans Christian Oersted in 1820, toen hij merkte dat de naald van een kompas werd afgebogen door de stroom die door een nabijgelegen draad vloeide. Voor een rechte draadlengte vormen de magnetische veldlijnen concentrische cirkels die de draad omringen.
Elektromagneten benutten dit fenomeen door een draadspiraal te gebruiken. Terwijl de stroom door de spoel vloeit, wordt het magnetische veld dat door elke lus wordt gegenereerd, opgeteld bij het veld dat wordt gegenereerd door de andere lussen, waardoor een definitief "noord" en "zuid" (of positief en negatief) einde wordt geproduceerd. Dit is het basisprincipe dat elektromagneten ondersteunt.
Dit alleen zou voldoende zijn om magnetisme te produceren, maar elektromagneten worden verbeterd met de toevoeging van een "kern". Dit is een materiaal waar de draad omheen is gewikkeld, en als het een magnetisch materiaal is, zullen zijn eigenschappen bijdragen aan het veld dat wordt geproduceerd door de Spoel van draad. Het veld dat door de spoel wordt geproduceerd, lijnt de magnetische domeinen in het materiaal uit, dus zowel de spoel als de fysieke magnetische kern werken samen om een sterker veld te produceren dan beide alleen.
Een kern en relatieve permeabiliteit kiezen
De vraag welk metaal geschikt is voor elektromagnetische kernen wordt beantwoord door de "relatieve permeabiliteit" van het materiaal. In het licht van elektromagnetisme beschrijft de permeabiliteit van het materiaal het vermogen van het materiaal om magnetische velden te vormen. Als een materiaal een hogere permeabiliteit heeft, zal het sterker magnetiseren in reactie op een extern magnetisch veld.
Het 'relatieve' in de term stelt een standaard voor het vergelijken van de permeabiliteit van verschillende materialen. De permeabiliteit van vrije ruimte krijgt het symbool μ0 en wordt gebruikt in vele vergelijkingen die te maken hebben met magnetisme. Het is een constante met de waarde μ0 = 4π × 10−7 kippen per meter. De relatieve permeabiliteit (μr) van een materiaal wordt gedefinieerd door:
μr = μ / μ0
Waar μ is de permeabiliteit van de stof in kwestie. De relatieve permeabiliteit heeft geen eenheden; het is gewoon een puur getal. Dus als iets helemaal niet op een magnetisch veld reageert, heeft het een relatieve permeabiliteit van één, wat betekent dat het op dezelfde manier reageert als een volledig vacuüm, met andere woorden: 'vrije ruimte'. Hoe hoger de relatieve permeabiliteit, hoe groter de magnetische respons van het materiaal.
Wat is de beste kern voor een elektromagneet?
De beste kern voor een elektromagneet is daarom het materiaal met de hoogste relatieve permeabiliteit. Elk materiaal met een relatieve permeabiliteit hoger dan één zal de sterkte van een elektromagneet vergroten wanneer gebruikt als een kern. Nikkel is een voorbeeld van een ferromagnetisch materiaal en heeft een relatieve permeabiliteit van 100 tot 600. Als u een nikkelkern voor een elektromagneet zou gebruiken, zou de sterkte van het geproduceerde veld drastisch worden verbeterd.
IJzer heeft echter een relatieve permeabiliteit van 5000 wanneer het 99,8 procent zuiver is en de relatieve permeabiliteit van zacht ijzer met 99,95 procent zuiverheid is een enorme 200.000. Deze enorme relatieve permeabiliteit is waarom ijzer de beste kern is voor een elektromagneet. Er zijn veel overwegingen bij het kiezen van een materiaal voor een elektromagneetkern, waaronder de kans op verspilling als gevolg van wervelstromen, maar in het algemeen is ijzer goedkoop en effectief, dus het is op een of andere manier opgenomen in het kernmateriaal of de kern is gemaakt van puur ijzer.
Welke materialen worden meestal gebruikt voor het maken van elektromagnetische kernen?
Veel materialen kunnen werken als elektromagneetkernen, maar sommige veel voorkomende zijn ijzer, amorf staal, ferrokeramiek (keramische verbindingen die zijn gemaakt met ijzeroxide), siliciumstaal en amorfe band op ijzerbasis. In principe kan elk materiaal met een hoge relatieve permeabiliteit worden gebruikt als een elektromagneetkern. Er zijn sommige materialen die specifiek zijn gemaakt om te dienen als kernen voor elektromagneten, inclusief permalloy, die een relatieve permeabiliteit van 8.000 heeft. Een ander voorbeeld is de op ijzer gebaseerde Nanoperm, die een relatieve permeabiliteit van 80.000 heeft.
Deze cijfers zijn indrukwekkend (en beide overtreffen de permeabiliteit van licht onzuiver ijzer), maar de sleutel tot de dominantie van ijzeren kernen is echt een mix van hun permeabiliteit en hun betaalbaarheid.