İçerik
- Manyetizmayı ve Etki Alanlarını Anlamak
- Elektromıknatıslar Nasıl Çalışır?
- Çekirdek ve Göreceli Geçirgenlik Seçimi
- Bir Elektromıknatıs için En İyi Çekirdek Nedir?
- Elektromıknatıs Çekirdek Yapmada En Çok Hangi Malzemeler Kullanılır?
Demir, bir elektromıknatıs için en iyi çekirdek olarak kabul edilir, ancak neden? Tek manyetik malzeme değil ve modern çağda daha fazla kullanılmasını bekleyebileceğiniz çelik gibi birçok alaşım var. Başka bir materyali kullanmaktansa neden bir demir çekirdekli elektromıknatıs görmek için daha muhtemel olduğunuzu anlamak, size elektromanyetizma bilimiyle ilgili birçok önemli noktaya kısa bir giriş yapmanın yanı sıra hangi malzemelerin elektromanyetik yapımında daha çok kullanıldığını açıklamaya yönelik yapısal bir yaklaşım sunar. Cevap, kısaca malzemenin manyetik alanlara geçirgenliği ile ilgilidir.
Manyetizmayı ve Etki Alanlarını Anlamak
Malzemelerde manyetizmanın kökeni sandığınızdan biraz daha karmaşıktır. Çoğu insan çubuk mıknatıslar gibi şeylerin “kuzey” ve “güney” kutuplara sahip olduğunu ve karşı kutupların kutupları çekip eşleştiğini bilse de, gücün kökeni geniş ölçüde anlaşılmamıştır. Mıknatıslanma sonuçta yüklü parçacıkların hareketinden kaynaklanır.
Elektronlar, ev sahibi atomun çekirdeğini “gezegenlerin Güneşin yörüngesindeki gibi” biraz yörüngesine sokar ve elektronlar negatif bir elektrik yükü taşır. Yüklü parçacıkların hareketi - bunu döngüsel bir döngü olarak düşünebilirsiniz, ancak bu kadar basit olmasa da - bir manyetik alanın oluşmasına yol açar. Bu alan yalnızca bir gram elektronun milyarda birinin kütlesi olan milyarda bir kütlesi olan küçük bir parçacık olan bir elektron tarafından üretilir, bu nedenle sizi tek bir elektrondan alanın o kadar büyük olmaması şaşırtıcı olmamalıdır. Bununla birlikte, komşu atomlardaki elektronları etkiler ve orjinali ile aynı hizada olan tarlalara yol açar. Daha sonra bunlardan alan diğer elektronları etkiler, sırayla diğerlerini etkiler. Sonuçta, onlar tarafından üretilen tüm manyetik alanların hizalandığı küçük bir elektron alanı “yaratılır”.
Herhangi bir makroskopik malzeme parçası - başka bir deyişle, görmeniz ve etkileşime girmeniz için yeterince büyük bir örnek - birçok alan için yeterli alan vardır. Her birindeki alanın yönü etkili bir şekilde rastgeledir, bu nedenle çeşitli alanlar birbirini iptal etme eğilimindedir. Makroskopik malzeme örneği bu nedenle net manyetik alana sahip olmaz. Bununla birlikte, malzemeyi başka bir manyetik alana maruz bırakırsanız, bu, tüm alanların onunla hizalanmasına neden olur ve böylece hepsi de birbiriyle hizalanacaktır. Bu olduğunda, malzemenin makroskopik numunesi manyetik bir alana sahip olacaktır, çünkü tüm küçük alanlar tabiri caizse “birlikte çalışmaktadır”.
Bir malzemenin dış alanın kaldırılmasından sonra bu alan adlarının hizalamasını ne ölçüde koruyacağı, hangi malzemeyi “manyetik” olarak adlandırabileceğinizi belirler. Periyodik tablonuzu biliyorsanız, bu işlem demirden (Fe) alınır ve demir en çok bilinen ferromanyetik malzemedir.
Elektromıknatıslar Nasıl Çalışır?
Yukarıdaki açıklama, hareket etmeyi vurgulamaktadır elektrik ücretleri üretmek manyetik alanlar. İki güç arasındaki bu bağlantı, elektromıknatısları anlamak için çok önemlidir. Bir elektronun bir atomun çekirdeği etrafındaki hareketi ile aynı şekilde bir manyetik alan meydana getirir, elektronların bir elektrik akımının parçası olarak hareketi de bir manyetik alan üretir. Bu, 1820'de Hans Christian Oersted tarafından, bir pusulanın iğnesinin yakındaki bir telden geçen akım tarafından saptığını fark ettiğinde keşfedildi. Düz bir kablo uzunluğu için, manyetik alan çizgileri, teli çevreleyen eşmerkezli daireler oluşturur.
Elektromıknatıslar bu fenomeni bir tel bobin kullanarak kullanırlar. Akım bobinin içinden akarken, her ilmek tarafından oluşturulan manyetik alan, diğer ilmeklerin oluşturduğu alana eklenir ve kesin bir “kuzey” ve “güney” (veya pozitif ve negatif) uç üretir. Bu, elektromıknatısların temelini oluşturan temel ilkedir.
Bu tek başına manyetizma üretmek için yeterli olacaktır, ancak elektromıknatıslar bir “çekirdek” eklenmesiyle geliştirilir. Bu, telin etrafına sarıldığı bir malzemedir ve manyetik bir malzeme olması durumunda, bu özelliklerin ürettiği alana katkı sağlar. tel bobini. Bobin tarafından üretilen alan, malzemedeki manyetik alanları hizalar, böylece hem bobin hem de fiziksel manyetik çekirdek, her ikisinden de daha güçlü bir alan üretmek için birlikte çalışır.
Çekirdek ve Göreceli Geçirgenlik Seçimi
Hangi metalin elektromıknatıs çekirdeklerine uygun olduğu sorusu, malzemenin “nispi geçirgenliği” ile cevaplanmaktadır. Elektromanyetizma bağlamında, malzemenin geçirgenliği, malzemenin manyetik alanlar oluşturma yeteneğini açıklar. Bir malzemenin geçirgenliği daha yüksekse, harici manyetik alana yanıt olarak daha güçlü bir şekilde mıknatıslanır.
Terimdeki “akraba”, farklı malzemelerin geçirgenliğinin karşılaştırılması için bir standart belirler. Boş alanın geçirgenliği simgesi μ0 ve manyetizma ile ilgili birçok denklemde kullanılır. Bu değere sahip bir sabittir μ0 = 4π × 10−7 metre başına henries. Göreceli geçirgenlik (μrbir malzemenin) ile tanımlanır:
μr = μ / μ0
Nerede μ Söz konusu maddenin geçirgenliğidir. Göreceli geçirgenliğin birimi yoktur; bu sadece saf bir sayı. Yani bir şey bir manyetik alana hiç cevap vermiyorsa, bir göreceli geçirgenliğe sahiptir, yani tam bir boşlukla aynı şekilde yanıt verir, bir başka deyişle, “boş alan”. Göreceli geçirgenlik yükseldikçe, malzemenin manyetik tepkisi daha büyük.
Bir Elektromıknatıs için En İyi Çekirdek Nedir?
Bir elektromıknatıs için en iyi çekirdek bu nedenle göreceli geçirgenliği en yüksek olan malzemedir. Göreceli geçirgenliği birden fazla olan herhangi bir malzeme, bir çekirdek olarak kullanıldığında bir elektromıknatısın gücünü arttırır. Nikel, ferromanyetik bir malzemenin bir örneğidir ve 100 ile 600 arasında göreceli bir geçirgenliğe sahiptir. Bir elektromıknatıs için bir nikel çekirdeği kullandıysanız, üretilen alanın gücü önemli ölçüde artar.
Bununla birlikte, demir yüzde 99.8 saf olduğunda, nispi geçirgenliği 5.000 olan ve yüzde 99.95 saflığı olan yumuşak demirin nispi geçirgenliği büyük bir 200.000'dir. Bu büyük nispi geçirgenlik, demirin bir elektromıknatıs için en iyi çekirdek olmasının nedenidir. Bir elektromıknatıs göbeği için bir malzeme seçerken, girdap akımlarından kaynaklanan israf olasılığını da içeren pek çok husus vardır, ancak genel olarak konuşursak, demir ucuz ve etkilidir, bu yüzden bir şekilde çekirdek malzemeye dahil edilir veya çekirdek saf hale getirilir Demir.
Elektromıknatıs Çekirdek Yapmada En Çok Hangi Malzemeler Kullanılır?
Birçok malzeme elektromıknatıs göbekleri olarak çalışabilir, ancak bazı yaygın olanları demir, şekilsiz çelik, demir seramik (demir oksit ile yapılan seramik bileşikleri), silikon çelik ve demir bazlı şekilsiz banttır. Prensip olarak, yüksek nispi geçirgenliği olan herhangi bir malzeme elektromıknatıs göbeği olarak kullanılabilir. 8.000 nispi geçirgenliğine sahip permalloy dahil olmak üzere, elektromıknatıslar için çekirdek olarak kullanılmak üzere özel olarak yapılmış bazı malzemeler vardır. Diğer bir örnek, 80.000 nispi geçirgenliğe sahip demir bazlı Nanoperm'dir.
Bu rakamlar etkileyici (ve her ikisi de biraz saf olmayan demirin geçirgenliğini aşıyor), ancak demir çekirdeğinin baskınlığının anahtarı gerçekten geçirgenliğinin ve satın alınabilirliğinin bir karışımı.