Så stark elektromagnet som möjligt

Järnkärnans funktion är att förmedla det magnetiska fältet från en plats till en annan och har ingen direkt inverkan på magnetfältets storlek. Man kan eventuellt få en liten liten extra styrka från kärnan men denna är marginell i förhållande till effekten av spolvarv och strömstyrka och är inte värd de ekonomiska kostnaderna och ökade vikten som järnkärnan bidrar med. 

Man kan något förenklat säga att järnkärnan inte ger upphov till något nytt magnetfält men möjliggör för flera svagare magnetfält att koncentreras till ett eventuellt starkare magnetfält. 

Tänk hur du kan hålla en permanensmagnet mot ena änden av ett järnföremål och den andra änden av färnföremålet nu verkar magnetiskt en effekt man ser när man hänger en serier av metallgem från en permanentmagnet.

Tillbaka till elektromagneten. En järnkärna (eller annat ferromagnetiskt material) är huvudsakligen till för att leda magnetfältet från bakre änden av spolen till främre änden av spolen när spolen har viss längd. Låt säga att man vill ha så stort magnetfält vid ena änden av spolen. Delen av spolen i andra änden producerar ett magnetfält men detta avtar kanska snabbt när man rör sig bort från den delen av spolen och kan vara ganska svagt när man väl kommit till andra änden av spolen eftersom fältet sprider ut sig i rummet. Järnkärnan agerar som en ledare av magnetfältet och hindrar det från att läcka ur spolen utan leds till andra änden.

Tack för svaret! Ska bara dubbelkolla:

Järnkärnan leder vidare magnetfältet genom att vända sig efter fältriktningarna. Men de extra elektronerna som spinner åt samma håll ger ingen stor skillnad på magnetfältet storlek?

Det kan vara så att jag har förstått det här helt fel...

Skulle säga att det är en bra sammanfattning begreppsmässigt även om magnetfältets styrka inuti spolen ändå blir större genom att det inte 'läcker magnetfält'. 

SeriousCephalopod skrev:

Järnkärnans funktion är att förmedla det magnetiska fältet från en plats till en annan och har ingen direkt inverkan på magnetfältets storlek. Man kan eventuellt få en liten liten extra styrka från kärnan men denna är marginell i förhållande till effekten av spolvarv och strömstyrka och är inte värd de ekonomiska kostnaderna och ökade vikten som järnkärnan bidrar med. 

Man kan något förenklat säga att järnkärnan inte ger upphov till något nytt magnetfält men möjliggör för flera svagare magnetfält att koncentreras till ett eventuellt starkare magnetfält. 

Tänk hur du kan hålla en permanensmagnet mot ena änden av ett järnföremål och den andra änden av färnföremålet nu verkar magnetiskt en effekt man ser när man hänger en serier av metallgem från en permanentmagnet.

Tillbaka till elektromagneten. En järnkärna (eller annat ferromagnetiskt material) är huvudsakligen till för att leda magnetfältet från bakre änden av spolen till främre änden av spolen när spolen har viss längd. Låt säga att man vill ha så stort magnetfält vid ena änden av spolen. Delen av spolen i andra änden producerar ett magnetfält men detta avtar kanska snabbt när man rör sig bort från den delen av spolen och kan vara ganska svagt när man väl kommit till andra änden av spolen eftersom fältet sprider ut sig i rummet. Järnkärnan agerar som en ledare av magnetfältet och hindrar det från att läcka ur spolen utan leds till andra änden.

Nej, detta är inte sant. Med en kärna av ett ferromagnetiskt material kan man erhålla en magnet som är flera hundra gånger starkare och det är oftast mycket mycket dyrare att erhålla en lika stark magnet genom att linda motsvarande mängd varv av t ex koppar eller vrida på en starkare ström. 

En ferromagnet fungerar som så att elektroner i atomerna i materialet bildar små dipoler (främst pga av dess elektronspinn) och kring dipoler finns ett magnetfält, väldigt likt magnetfältet kring en klassisk elektromagnet. När materialet ej är magnetiserat så pekar dessa åt helt slumpmässiga håll och man kan se det som att alla magnetfält i stort sätt tar ut varandra. Men när ett yttre magnetfält läggs på, vilket är precis det som sker när vi använder materialet som en kärna till en elektromagnet, så vill dessa dipoler rätta in sig efter det magnetfältet. När fler och fler dipoler rättar in sig så växer styrkan hos magnetfältet i materialet och ännu fler dipoler vill rätta sig efter fältet, man kan se det som att dessa dipoler vill vända sig åt samma håll som sina närmaste "grannar". Nettoeffekten av detta är att man får ett väldigt starkt magnetfält från materialet som verkar i samma riktning som det yttre magnetfältet och det finns kvar där så länge det yttre magnetfältet ligger på.

Detta är precis vad man drar nytta av när man tillverkar en elektromagnet. Man använder sig av ett ferromagnetiskt material som kärna och när strömmen slås på så magnetiseras materialet och fungerar därmed som en förstärkare, och som jag skrev tidigare så kan denna förstärkning vara flera hundra gånger den ursprungliga elektromagnetens styrka.

Det är möjligen så att Serious kanske missuppfattat något här, det är visserligen så att om man slår av det yttre magnetfältet så återgår majoriteten av dipolarna till sin ursprungliga riktning. Det som är unikt för just ferromagneter är att alla dipoler inte gör detta, en betydande mängd har kvar sin riktning som de erhöll efter det yttre magnetfältet lades på. Dock så är magnetfältet hos denna kvarstående magnet oerhört litet jämfört med elektromagnetens och det kanske är det Serious blandat ihop det med? Det är förövrigt precis så här man tillverkar kylskåpsmagneter.

Så som svar på frågan, ja spolens geometri och material har stor betydelse. Magnetfältets styrka på avståndet $r$ från en "kort spole" (som är en bra approximation för en elektromagnet) ges av formeln

$B = \frac{N \mu_r \mu_0 I R^2}{2(R^2+r^2)^{3/2}}$

där $R$ är spolens radie, $N$ antalet varv, $I$ strömmen,  $\mu_0$ permeabiliteten för vakuum och $\mu_r$ är relativa permeabiliteten som alltså är den här "förstärkningsfaktorn" som järnet bidrar med. För rent järn kan vi slå upp värdet i en tabell och får ca 5000. Magnetfältet blir alltså 5000 gånger starkare med en kärna av väldigt rent järn och ur formeln ovan ser du att geometrin (radien) också är att beakta.

Jag vet inte varför jag skrev storleksordningen hundra i mitt tidigare inlägg, mindes tydligen helt fel. Det viktiga är dock inte siffran utan det fysikaliska.

EDIT: Formeln är från något formelblad jag sparat på min dator sedan jag gick i ettan på universitetet, jag kommer inte ihåg exakt hur det härleds nu men jag gissar på att det finns i Griffiths, Introduction to electrodynamics.

Yes ser ut som att jag tänkt fel här. Bra att du rättat.

Så, en elektromagnet med en järnkärna som är 2 cm "bred", är MÄRKBART kraftigare än en elektromagnet med en järnkärna som är 1 cm "bred"?