תוֹכֶן
- הבנת המגנטיות והדומיינים
- כיצד פועלים אלקטרומגנטים?
- בחירת ליבות וחדירות יחסית
- מהו הגרעין הטוב ביותר עבור אלקטרומגנט?
- אילו חומרים משמשים בעיקר לייצור ליבות אלקטרומגנט?
ברזל נחשב לרבים כגרעין הטוב ביותר עבור אלקטרומגנט, אבל מדוע? זה לא החומר המגנטי היחיד, ויש הרבה סגסוגות כמו פלדה שאולי תצפו להשתמש בהן יותר בעידן המודרני. ההבנה מדוע סביר יותר שתראה אלקטרומגנט ליבת ברזל מאשר חומר המשתמש בחומר אחר נותנת לך היכרות קצרה עם נקודות מפתח רבות אודות מדע האלקטרומגנטיות, כמו גם גישה מובנית להסבר אילו חומרים משמשים בעיקר לייצור אלקטרומגנטים. התשובה, בקיצור, מסתכמת ב"חדירות "של החומר לשדות מגנטיים.
הבנת המגנטיות והדומיינים
מקורו של המגנטיות בחומרים הוא קצת יותר מורכב מכפי שאפשר לחשוב. בעוד שרוב האנשים יודעים שלדברים כמו מגנטים לבר יש קטבים "צפון" ו"דרום ", וכי קטבים מנוגדים מושכים וקטבים תואמים דוחים, אך מקור הכוח אינו מובהק. המגנטיות בסופו של דבר נובעת מתנועה של חלקיקים טעונים.
אלקטרונים "מקיפים" את גרעין האטום המארח קצת כמו איך כוכבי לכת מקיפים את השמש, ואלקטרונים נושאים מטען חשמלי שלילי. תנועת החלקיק הטעון - אתה יכול לחשוב עליו כעל לולאה מעגלית אם כי זה לא ממש פשוט כל כך - מוביל ליצירת שדה מגנטי. שדה זה נוצר רק על ידי אלקטרון - חלקיק זעיר עם מסה של כמיליארד מיליארד מיליארדית גרם - כך שזה לא אמור להפתיע אותך שהשדה מאלקטרון בודד אינו כה גדול. עם זאת, הוא משפיע על אלקטרונים באטומים הסמוכים ומוביל לכך ששדותיהם מתיישרים עם זה המקורי. ואז השדה מאותם משפיע על אלקטרונים אחרים, הם בתורם משפיעים על אחרים וכן הלאה. התוצאה הסופית היא יצירת "תחום" קטן של אלקטרונים שכל השדות המגנטיים המיוצרים על ידם מיושרים.
לכל פיסת חומר מקרוסקופית - במילים אחרות, דוגמה גדולה מספיק שתוכל לראות ולתקשר איתה - יש הרבה מקום להרבה תחומים. כיוון השדה בכל אחד מהם הוא אקראי באופן יעיל, ולכן התחומים השונים נוטים לבטל זה את זה. לכן הדגימה המקרוסקופית של החומר אינה מכילה שדה מגנטי נטו. עם זאת, אם אתה חושף את החומר לשדה מגנטי אחר, הדבר גורם לכל התחומים להתיישר איתו, וכך כולם יישרו זה עם זה. כאשר זה קרה, לדגימה המאקרוסקופית של החומר יהיה שדה מגנטי, מכיוון שכל השדות הקטנים "עובדים יחד", כביכול.
המידה בה חומר שומר על יישור תחומים זה לאחר הסרת השדה החיצוני קובע אילו חומרים תוכלו לקרוא "מגנטיים". חומרים פרומגנטיים הם אלה ששומרים על יישור זה לאחר שהשדה החיצוני הוסר. כפי שאולי הסתדרת אם אתה מכיר את הטבלה המחזורית שלך, שם זה נלקח מברזל (Fe), וברזל הוא החומר הידוע ביותר הידוע.
כיצד פועלים אלקטרומגנטים?
התיאור לעיל מדגיש כי מרגש חשמלי חיובים מייצרים מגנטי שדות. קשר זה בין שני הכוחות הוא קריטי להבנת האלקטרומגנטים. באותה דרך שבה תנועת אלקטרון סביב גרעין האטום מייצרת שדה מגנטי, תנועת האלקטרונים כחלק מזרם חשמלי מייצרת גם שדה מגנטי. זה התגלה על ידי האנס כריסטיאן אורסטד בשנת 1820, כאשר הבחין כי מחט המצפן הוסחה על ידי הזרם שזרם דרך חוט סמוך. עבור אורך ישר של חוט, קווי השדה המגנטי יוצרים מעגלים קונצנטריים המקיפים את החוט.
אלקטרומגנטים מנצלים תופעה זו באמצעות סליל חוט. כאשר הזרם זורם דרך הסליל, השדה המגנטי שנוצר על ידי כל לולאה מוסיף לשדה שנוצר על ידי הלולאות האחרות, ומייצר סוף "צפוני" ו"דרום "(או חיובי ושלילי). זהו העיקרון הבסיסי העומד בבסיס אלקטרומגנטים.
זה לבדו יספיק בכדי לייצר מגנטיות, אך אלקטרומגנטים משופרים בתוספת "ליבה". זהו חומר שהחוט נעטף סביבו, ואם מדובר בחומר מגנטי, תכונותיו יתרמו לשדה המיוצר על ידי סליל חוט. השדה המיוצר על ידי הסליל מיישר את התחומים המגנטיים בחומר, כך שגם הסליל וגם הליבה המגנטית הפיזית פועלים יחד כדי לייצר שדה חזק יותר משכל אחד מהם יכול לבד.
בחירת ליבות וחדירות יחסית
השאלה על איזו מתכת מתאימה ליבות אלקטרומגנטית נענקת על ידי "החדירות היחסית" של החומר. במצבו של האלקטרומגנטיות, חדירות החומר מתארת את יכולתו של החומר ליצור שדות מגנטיים. אם לחומר יש חדירות גבוהה יותר, אז הוא יתמגנט חזק יותר בתגובה לשדה מגנטי חיצוני.
"קרוב" במונח קובע סטנדרט להשוואה בין חדירות של חומרים שונים. לחדירות המרחב הפנוי ניתן הסמל μ0 ומשמש במשוואות רבות העוסקות במגנטיות. זה קבוע עם הערך μ0 = 4π × 10−7 תרנגולות למטר. החדירות היחסית (μr) של חומר מוגדר על ידי:
μr = μ / μ0
איפה μ הוא החדירות של החומר המדובר. לחדירות היחסית אין יחידות; זה רק מספר טהור. כך שאם משהו לא מגיב בכלל לשדה מגנטי, יש לו חדירות יחסית של אחד, מה שאומר שהוא מגיב באותו אופן כמו ואקום מוחלט, במילים אחרות, "שטח פנוי." ככל שהחדירות יחסית גבוהה יותר, כך התגובה המגנטית של החומר גדולה יותר.
מהו הגרעין הטוב ביותר עבור אלקטרומגנט?
הגרעין הטוב ביותר לאלקטרומגנט הוא אפוא החומר בעל החדירות היחסית הגבוהה ביותר. כל חומר בעל חדירות יחסית גבוהה מחומר יגדיל את חוזק האלקטרומגנט כאשר הוא משמש כגרעין. ניקל הוא דוגמא לחומר פרומגנטי, ויש לו חדירות יחסית של בין 100 ל 600. אם השתמשת בליבת ניקל עבור אלקטרומגנט, אז כוח השדה המיוצר ישופר באופן דרסטי.
עם זאת, לברזל יש חדירות יחסית של 5,000 כאשר הוא 99.8 אחוז טהור, והחדירות היחסית של ברזל רך עם 99.95 אחוז טוהר היא 200,000 מאסיבית. חדירות יחסית עצומה זו היא הסיבה שברזל הוא הגרעין הטוב ביותר לאלקטרומגנט. ישנם שיקולים רבים בעת בחירת חומר לליבה אלקטרומגנטית, כולל הסבירות לבזבוז כתוצאה מזרמי אדמה, אך באופן כללי ברזל הוא זול ויעיל, כך שהוא משולב איכשהו בחומר הליבה או שהליבה עשויה טהורה ברזל.
אילו חומרים משמשים בעיקר לייצור ליבות אלקטרומגנט?
חומרים רבים יכולים לעבוד כליבות אלקטרומגנטיות, אך חלקם הנפוצים הם ברזל, פלדה אמורפית, קרמיקה ברזלית (תרכובות קרמיות המיוצרות עם תחמוצת ברזל), פלדת סיליקון ונייר אמורפי מבוסס ברזל. באופן עקרוני, כל חומר בעל חדירות יחסית גבוהה יכול לשמש כליבה אלקטרומגנטית. ישנם כמה חומרים שנעשו במיוחד כדי לשמש ליבות לאלקטרומגנטים, כולל permalloy, שיש להם חדירות יחסית של 8,000. דוגמא נוספת היא Nanoperm מבוסס הברזל, שיש לו חדירות יחסית של 80,000.
המספרים הללו מרשימים (ושניהם חורגים מחדירות הברזל הטמא מעט), אך המפתח לדומיננטיות של ליבות הברזל הוא באמת תערובת של חדירותם והמחירויות שלהם.