المحتوى
- فهم المغناطيسية والمجالات
- كيف تعمل المغناطيسات الكهربائية؟
- اختيار النفاذية الأساسية والنسبية
- ما هو أفضل كور للمغناطيس الكهربائي؟
- ما هي المواد المستخدمة في الغالب لصنع النوى الكهرومغناطيسية؟
يعتبر الحديد على نطاق واسع أفضل جوهر للمغناطيس الكهربائي ، ولكن لماذا؟ إنها ليست المادة المغناطيسية الوحيدة ، وهناك الكثير من السبائك مثل الصلب التي قد تتوقع استخدامها أكثر في العصر الحديث. إن فهم سبب احتمال رؤيتك لمغناطيس كهربائي صلب أكثر من استخدام مادة أخرى يمنحك مقدمة موجزة للعديد من النقاط الرئيسية حول علم الكهرومغناطيسية ، بالإضافة إلى مقاربة منظمة لشرح المواد التي تستخدم في الغالب لصنع المغناطيسات الكهربائية. الجواب ، باختصار ، يأتي إلى "نفاذية" المواد للمجالات المغناطيسية.
فهم المغناطيسية والمجالات
أصل المغناطيسية في المواد هو أكثر تعقيدا قليلا مما قد يعتقد. بينما يعرف معظم الناس أن أشياء مثل مغناطيس الأعمدة لها أقطاب "شمال" و "جنوب" ، وأن أقطاب متقابلة تجذب الأقطاب وتطابقها ، فإن أصل القوة ليس مفهوما على نطاق واسع. المغناطيسية تنبع في النهاية من حركة الجسيمات المشحونة.
"تدور" الإلكترونات في نواة الذرة المضيفة تمامًا مثل الكواكب التي تدور حول الشمس ، والإلكترونات تحمل شحنة كهربائية سالبة. إن حركة الجسيم المشحون - يمكنك أن تفكر فيه كحلقة دائرية على الرغم من أنها ليست بهذه البساطة حقًا - تؤدي إلى إنشاء مجال مغناطيسي. يتم إنشاء هذا الحقل فقط عن طريق إلكترون - جسيم صغير جدًا تبلغ كتلته حوالي المليار من المليار من المليار من البليون من الجرام - لذلك لا ينبغي أن يفاجئك أن الحقل من إلكترون واحد ليس بهذا الحجم. ومع ذلك ، فإنه يؤثر على الإلكترونات في الذرات المجاورة ويؤدي إلى محاذاة حقولهم مع الحقل الأصلي. ثم الحقل من هذه التأثيرات الإلكترونات الأخرى ، فإنها بدورها تؤثر على الآخرين وهلم جرا. والنتيجة النهائية هي إنشاء القليل من "مجال" الإلكترونات حيث تتم محاذاة جميع المجالات المغناطيسية التي تنتجها.
أي جزء كبير من المواد - بمعنى آخر ، عينة كبيرة بما يكفي لتراها وتتفاعل معها - لديه مساحة كبيرة لكثير من المجالات. اتجاه الحقل في كل واحد عشوائي بشكل فعال ، لذلك تميل المجالات المختلفة إلى إلغاء بعضها البعض. وبالتالي ، لن تحتوي العينة المجهرية للمواد على مجال مغناطيسي صافي. ومع ذلك ، إذا قمت بكشف المادة لحقل مغناطيسي آخر ، فإن هذا يتسبب في محاذاة جميع المجالات معه ، وبالتالي ستتم محاذاتها جميعًا مع بعضها البعض. عندما يحدث هذا ، ستحتوي العينة المجهرية للمادة على حقل مغناطيسي ، لأن جميع الحقول الصغيرة "تعمل معًا" ، إذا جاز التعبير.
يحدد المدى الذي تحافظ به المادة على محاذاة المجالات هذه بعد إزالة الحقل الخارجي ، المواد التي يمكنك تسميتها "مغناطيسية". المواد المغناطيسية المغناطيسية هي تلك المواد التي تحافظ على هذا المحاذاة بعد إزالة الحقل الخارجي. نظرًا لأنك قد تكون عملت إذا كنت تعرف جدولك الدوري ، فهذا الاسم مأخوذ من الحديد (الحديد) ، والحديد هو أفضل مادة مغناطيسية معروفة.
كيف تعمل المغناطيسات الكهربائية؟
الوصف أعلاه يؤكد أن تتحرك كهربائي رسوم إنتاج مغناطيسي مجالات. هذا الرابط بين القوتين ضروري لفهم المغناطيسات الكهربائية. بنفس الطريقة التي تنتج بها حركة الإلكترون حول نواة الذرة مجالًا مغناطيسيًا ، فإن حركة الإلكترونات كجزء من التيار الكهربائي تنتج أيضًا مجالًا مغناطيسيًا. اكتشف هذا هانز كريستيان أورستد في عام 1820 ، عندما لاحظ أن إبرة البوصلة قد انحرفت عن طريق التيار المتدفق عبر سلك قريب. لطول السلك المستقيم ، تشكل خطوط المجال المغناطيسي دوائر متحدة المركز تحيط بالسلك.
تستغل المغناطيسات الكهربائية هذه الظاهرة باستخدام لفائف من الأسلاك. عندما يتدفق التيار عبر الملف ، يضيف الحقل المغناطيسي الناتج عن كل حلقة إلى الحقل الذي تولده الحلقات الأخرى ، مما ينتج عنه نهاية "الشمال" و "الجنوب" (أو الإيجابية والسلبية). هذا هو المبدأ الأساسي الذي يدعم المغناطيسات الكهربائية.
سيكون هذا وحده كافياً لإنتاج المغناطيسية ، ولكن يتم تحسين المغناطيس الكهربائي بإضافة "نواة". هذه مادة يتم لفها السلك حولها ، وإذا كانت مادة مغناطيسية ، فخصائصها ستسهم في الحقل الذي ينتج عن لفائف من الأسلاك. يعمل الحقل الذي ينتجه الملف على محاذاة المجالات المغناطيسية في المادة ، بحيث يعمل كل من الملف والقلب المغنطيسي المادي معاً لإنتاج حقل أقوى من أي منهما وحده.
اختيار النفاذية الأساسية والنسبية
يتم الإجابة على السؤال حول أي معدن مناسب للنوى الكهرومغناطيسية بواسطة "النفاذية النسبية" للمادة. في الخدع الكهرومغناطيسية ، نفاذية المادة تصف قدرة المادة على تكوين حقول مغناطيسية. إذا كانت المادة ذات نفاذية أعلى ، فستتمغنط بقوة أكبر استجابة لحقل مغناطيسي خارجي.
يضع "قريب" في المصطلح معيارًا لمقارنة نفاذية المواد المختلفة. تعطى نفاذية الفضاء الحر الرمز μ0 ويستخدم في العديد من المعادلات التي تتعامل مع المغناطيسية. إنه ثابت مع القيمة μ0 = 4π × 10−7 هنري للمتر. النفاذية النسبية (μص) من مادة محددة بواسطة:
μص = μ / μ0
أين μ هو نفاذية المادة المعنية. النفاذية النسبية لا تحتوي على وحدات. إنه مجرد رقم نقي. لذلك إذا لم يستجب أي شيء على الإطلاق للمجال المغنطيسي ، فإن له نفاذية نسبية لأحد ، مما يعني أنه يستجيب بنفس الطريقة مثل فراغ كامل ، وبعبارة أخرى ، "الفضاء الحر". كلما زادت النفاذية النسبية ، كلما زادت الاستجابة المغناطيسية للمادة.
ما هو أفضل كور للمغناطيس الكهربائي؟
وبالتالي فإن أفضل جوهر للمغناطيس الكهربائي هو المادة ذات أعلى نفاذية نسبية. أي مادة ذات نفاذية نسبية أعلى من واحدة ستزيد من قوة المغناطيس الكهربائي عند استخدامها كقلب. النيكل هو مثال على مادة مغناطيسية حديدية ، وله نفاذية نسبية تتراوح بين 100 و 600. إذا استخدمت نواة نيكل للمغناطيس الكهربائي ، فسوف تتحسن قوة الحقل المنتجة بشكل كبير.
ومع ذلك ، فإن الحديد له نفاذية نسبية تبلغ 5000 عندما يكون نقيًا بنسبة 99.8 في المائة ، ونفاذية الحديد اللين بنقاء 99.95 في المائة تبلغ 200000. هذا النفاذية النسبية الضخمة هو السبب في أن الحديد هو أفضل نواة للمغناطيس الكهربائي. هناك العديد من الاعتبارات عند اختيار مادة لبنية مغناطيسية كهربائية ، بما في ذلك احتمال الهدر الناتج عن التيارات الدوامية ، ولكن عمومًا ، يكون الحديد رخيصًا وفعالًا ، لذا فهو إما مدمج بطريقة أو بأخرى في المادة الأساسية أو مصنوع من مادة نقية حديد.
ما هي المواد المستخدمة في الغالب لصنع النوى الكهرومغناطيسية؟
يمكن أن تعمل العديد من المواد كقلب مغناطيسي كهربائي ، ولكن بعض المواد الشائعة هي الحديد والصلب غير المتبلور والسيراميك الحديدية (المركبات الخزفية المصنوعة من أكسيد الحديد) وفولاذ السيليكون والشريط المتبلور القائم على الحديد. من حيث المبدأ ، يمكن استخدام أي مادة ذات نفاذية نسبية عالية كنواة مغناطيس كهربائي. هناك بعض المواد التي تم تصنيعها خصيصًا لتكون بمثابة نوى للمغناطيس الكهربائي ، بما في ذلك permalloy ، والتي لها نفاذية نسبية تبلغ 8000. مثال آخر هو Nanoperm القائم على الحديد ، والذي يتميز بنفاذية نسبية تبلغ 80،000.
هذه الأرقام مثيرة للإعجاب (وكلاهما يتجاوز نفاذية الحديد النجس قليلاً) ، ولكن مفتاح هيمنة النوى الحديدية هو في الحقيقة مزيج من نفاذية هذه العناصر وقدرتها على تحمل تكلفتها.