Contenuto
- Comprensione del magnetismo e dei domini
- Come funzionano gli elettromagneti?
- Scelta di un core e relativa permeabilità
- Qual è il miglior core per un elettromagnete?
- Quali materiali sono principalmente usati per realizzare nuclei di elettromagneti?
Il ferro è ampiamente considerato come il miglior nucleo per un elettromagnete, ma perché? Non è l'unico materiale magnetico e ci sono molte leghe come l'acciaio che potresti aspettarti di essere usato più nell'era moderna. Capire perché hai più probabilità di vedere un elettromagnete con nucleo di ferro rispetto a uno che utilizza un altro materiale ti offre una breve introduzione a molti punti chiave della scienza dell'elettromagnetismo, oltre a un approccio strutturato per spiegare quali materiali sono principalmente usati per produrre elettromagneti. La risposta, in breve, si riduce alla "permeabilità" del materiale ai campi magnetici.
Comprensione del magnetismo e dei domini
L'origine del magnetismo nei materiali è un po 'più complessa di quanto si possa pensare. Mentre la maggior parte delle persone sa che cose come i magneti a barra hanno poli "nord" e "sud" e che i poli opposti si attraggono e i poli corrispondenti si respingono, l'origine della forza non è così ampiamente compresa. Il magnetismo alla fine deriva dal movimento di particelle cariche.
Gli elettroni "orbitano" il nucleo dell'atomo ospite un po 'come il modo in cui i pianeti orbitano attorno al Sole, e gli elettroni trasportano una carica elettrica negativa. Il movimento della particella carica - puoi pensarlo come un anello circolare sebbene non sia poi così semplice - porta alla creazione di un campo magnetico. Questo campo è generato solo da un elettrone - una minuscola particella con una massa di circa un miliardesimo di miliardesimo di un miliardesimo di grammo - quindi non dovrebbe sorprenderti che il campo di un singolo elettrone non sia così grande. Tuttavia, influenza gli elettroni negli atomi vicini e porta i loro campi ad allinearsi con quello originale. Quindi il campo da questi influenza altri elettroni, a loro volta influenza altri e così via. Il risultato finale è la creazione di un piccolo "dominio" di elettroni in cui tutti i campi magnetici da essi prodotti sono allineati.
Qualsiasi frammento macroscopico di materiale - in altre parole, un campione abbastanza grande da permetterti di vedere e interagire - ha molto spazio per molti domini. La direzione del campo in ognuno di essi è effettivamente casuale, quindi i vari domini tendono a annullarsi a vicenda. Il campione macroscopico di materiale, quindi, non avrà un campo magnetico netto. Tuttavia, se si espone il materiale a un altro campo magnetico, questo fa sì che tutti i domini si allineino con esso, e quindi anche tutti saranno allineati tra loro. Quando ciò accadrà, il campione macroscopico del materiale avrà un campo magnetico, perché tutti i piccoli campi stanno “lavorando insieme”, per così dire.
La misura in cui un materiale mantiene questo allineamento di domini dopo la rimozione del campo esterno determina quali materiali si possono chiamare "magnetici". I materiali ferromagnetici sono quelli che mantengono questo allineamento dopo che il campo esterno è stato rimosso. Come avrai capito se conosci la tua tavola periodica, questo nome è preso dal ferro (Fe) e il ferro è il materiale ferromagnetico più noto.
Come funzionano gli elettromagneti?
La descrizione sopra sottolinea che lo spostamento elettrico le cariche producono magnetico campi. Questo legame tra le due forze è cruciale per comprendere gli elettromagneti. Allo stesso modo in cui il movimento di un elettrone attorno al nucleo di un atomo produce un campo magnetico, anche il movimento di elettroni come parte di una corrente elettrica produce un campo magnetico. Questo fu scoperto da Hans Christian Oersted nel 1820, quando notò che l'ago di una bussola era deviato dalla corrente che fluiva attraverso un filo vicino. Per una lunghezza diritta del filo, le linee del campo magnetico formano cerchi concentrici che circondano il filo.
Gli elettromagneti sfruttano questo fenomeno usando una bobina di filo. Mentre la corrente scorre attraverso la bobina, il campo magnetico generato da ciascun anello si aggiunge al campo generato dagli altri anelli, producendo un'estremità "nord" e "sud" (o positiva e negativa) definitiva. Questo è il principio base alla base degli elettromagneti.
Questo da solo basterebbe a produrre magnetismo, ma gli elettromagneti vengono migliorati con l'aggiunta di un "nucleo". Questo è un materiale su cui è avvolto il filo, e se è un materiale magnetico, le sue proprietà contribuiranno al campo prodotto dal bobina di filo. Il campo prodotto dalla bobina allinea i domini magnetici nel materiale, quindi sia la bobina che il nucleo magnetico fisico lavorano insieme per produrre un campo più forte di quanto potrebbe fare da solo.
Scelta di un core e relativa permeabilità
Alla domanda su quale metallo sia adatto per i nuclei elettromagnetici si risponde alla "permeabilità relativa" del materiale. Nel contesto dell'elettromagnetismo, la permeabilità del materiale descrive la capacità del materiale di formare campi magnetici. Se un materiale ha una permeabilità maggiore, magnetizzerà più fortemente in risposta a un campo magnetico esterno.
Il "parente" nel termine stabilisce uno standard per il confronto della permeabilità di diversi materiali. La permeabilità dello spazio libero è data dal simbolo μ0 ed è usato in molte equazioni relative al magnetismo. È una costante con il valore μ0 = 4π × 10−7 henries al metro. La permeabilità relativa (μr) di un materiale è definito da:
μr = μ / μ0
Dove μ è la permeabilità della sostanza in questione. La permeabilità relativa non ha unità; è solo un numero puro. Quindi, se qualcosa non risponde affatto a un campo magnetico, ha una permeabilità relativa di uno, il che significa che risponde allo stesso modo di un vuoto completo, in altre parole, "spazio libero". Maggiore è la permeabilità relativa, maggiore è la risposta magnetica del materiale.
Qual è il miglior core per un elettromagnete?
Il miglior nucleo per un elettromagnete è quindi il materiale con la massima permeabilità relativa. Qualsiasi materiale con una permeabilità relativa superiore a una aumenterà la forza di un elettromagnete se usato come nucleo. Il nichel è un esempio di materiale ferromagnetico e ha una permeabilità relativa compresa tra 100 e 600. Se si usasse un nucleo di nichel per un elettromagnete, la forza del campo prodotto sarebbe drasticamente migliorata.
Tuttavia, il ferro ha una permeabilità relativa di 5.000 quando è puro al 99,8 percento, e la permeabilità relativa del ferro morbido con purezza del 99,95 percento è di ben 200.000. Questa enorme permeabilità relativa è il motivo per cui il ferro è il miglior nucleo per un elettromagnete. Ci sono molte considerazioni nella scelta di un materiale per un nucleo elettromagnetico, inclusa la probabilità di spreco derivante da correnti parassite, ma in generale, il ferro è economico ed efficace, quindi è in qualche modo incorporato nel materiale del nucleo o il nucleo è fatto da puro ferro.
Quali materiali sono principalmente usati per realizzare nuclei di elettromagneti?
Molti materiali possono funzionare come nuclei elettromagnetici, ma alcuni comuni sono ferro, acciaio amorfo, ceramica ferrosa (composti ceramici realizzati con ossido di ferro), acciaio al silicio e nastro amorfo a base di ferro. In linea di principio, qualsiasi materiale con un'elevata permeabilità relativa può essere utilizzato come nucleo elettromagnetico. Ci sono alcuni materiali che sono stati realizzati appositamente per fungere da nuclei per elettromagneti, incluso il permalloy, che ha una permeabilità relativa di 8.000. Un altro esempio è il Nanoperm a base di ferro, che ha una permeabilità relativa di 80.000.
Questi numeri sono impressionanti (ed entrambi superano la permeabilità del ferro leggermente impuro), ma la chiave per dominare i nuclei di ferro è davvero una miscela della loro permeabilità e della loro convenienza.