هو الألومنيوم المغناطيسي?

1. مقدمة

الألومنيوم هي واحدة من المعادن الأكثر استخدامًا في الصناعة الحديثة, ومع ذلك ، لا يزال هناك سؤال شائع: هو الألومنيوم المغناطيسي?

الإجابة البديهية للكثيرين هي نعم - بعد كل شيء, غالبًا ما يُفترض أن المعادن تظهر خصائص مغناطيسية. لكن, الواقع العلمي أكثر دقة.

في حين أن الألومنيوم معدني وموصل ممتاز, يفعل لا تتصرف مثل المواد المغناطيسية مثل الحديد أو النيكل.

إن فهم السلوك المغناطيسي للألمنيوم له آثار كبيرة عبر الهندسة, تصنيع, الدواء, والإلكترونيات.

من مواد التصوير بالرنين المغناطيسي إلى الفرز الحالي الدوامة في مرافق إعادة التدوير, معرفة كيفية تفاعل الألومنيوم مع الحقول المغناطيسية أمر بالغ الأهمية.

تستكشف هذه المقالة الخصائص المغناطيسية للألمنيوم من ذرية, بدني, والمنظور التطبيقي.

سنقوم بفحص خصائصها الأساسية, السلوك تحت الحقول المغناطيسية, وكيف تعتمد التطبيقات الصناعية المختلفة على طبيعتها غير المغناطيسية.

2. أساسيات المغناطيسية

فهم ما إذا كانت المادة مغناطيسية تتطلب فهمًا أساسيًا المغناطيسية على المستوى الذري.

ينبع المغناطيسية من سلوك الإلكترونات - يلف, الحركة المدارية, والطريقة التي تتماشى بها هذه اللحظات المغناطيسية المجهرية أو الإلغاء في مادة.

أنواع السلوك المغناطيسي

عادة ما يندرج المغناطيسية في المواد في عدة فئات:

• Diamagnetism: يعرض تنافرًا ضعيفًا من الحقول المغناطيسية. جميع المواد لها درجة من المغناطيسية, لكنها غالبًا ما تكون ضئيلة.
• المغناطيسية: يظهر جاذبية ضعيفة للحقول المغناطيسية الخارجية ولكن لا تحتفظ بالمغناطيسية بعد إزالة الحقل.
• المغناطيسية: يعرض جاذبية قوية ومغنطة دائمة. وجدت في المعادن مثل الحديد, الكوبالت, والنيكل.
• مضادات المغناطيسية & المغناطيسية: تنطوي على ترتيبات داخلية معقدة للحظات المغناطيسية الذرية التي تلغي بعضها البعض جزئيًا.

الأصول الذرية للمغناطيسية

ينشأ المغناطيسية من مصدرين رئيسيين على المستوى الذري:

• تدور الإلكترون: الإلكترونات لها لحظة مغناطيسية بسبب الدوران; تساهم الإلكترونات غير المقيدة بشكل كبير في السلوك المغناطيسي.
• الحركة المدارية: يمكن أن تتجول إلكترونات المسار حول النواة أيضًا.

التركيب البلوري والمحاذاة المغناطيسية

الترتيب الذري في صلبة, المعروف باسم بنية البلورة, يؤثر أيضا على المغناطيسية:

• مكعب محور الجسم (BCC) و سداسية معبأة (HCP) غالبًا ما تدعم الهياكل تفاعلات مغناطيسية أقوى.
• مكعب يركز على الوجه (FCC) الهياكل, مثل في الألومنيوم, عمومًا لا تفضل محاذاة المجال المغناطيسي, مما يؤدي إلى ضعف الاستجابة المغناطيسية.

3. الخواص الذرية والبلورية من الألومنيوم

الألومنيوم لديه تكوين الإلكترون [إنها] 3S² 3p¹, وهذا يعني أنه يحتوي إلكترون واحد فقط غير متصل.

لكن, لا يتماشى هذا الإلكترون غير المقيد بسهولة تحت الحقول المغناطيسية العادية بسبب خصائص الترابط الشاملة للألومنيوم.

هيكليا, يتبلور الألومنيوم في أ مكعب يركز على الوجه (FCC) شعرية, الذي لا يفضل محاذاة المجالات المغناطيسية.

نتيجة ل, الألومنيوم هو مغنطيسي, عرض فقط أ جاذبية ضعيفة جدا إلى الحقول المغناطيسية.

ال القابلية المغناطيسية من الألمنيوم تقريبا +2.2 × 10⁻⁵ EMU/mol, قيمة صغيرة ولكنها إيجابية تؤكد طبيعتها المغنطيسية.

4. هو الألومنيوم المغناطيسي?

من الناحية العملية, لا, الألومنيوم ليس مغناطيسي بالمعنى التقليدي. لا يمكن أن يكون مغناطيسي, ولا يتشبث بمغناطيس مثل المعادن الحديدية.

لكن, عندما تتعرض ل مجال مغناطيسي قوي, قد يعرض الألمنيوم أ استجابة قابلة للقياس ولكن ضعيفة.

ويرجع ذلك إلى مغنطيسيها وتوليد التيارات الدوامة عندما وضعت في الحقول المغناطيسية بالتناوب.

في البيئات المغناطيسية الثابتة, يظهر الألمنيوم سلوكًا ضئيلًا. ولكن في الأنظمة الكهرومغناطيسية الديناميكية, يصبح تفاعله أكثر إثارة للاهتمام.

5. السلوك في الحقول المغناطيسية بالتناوب

بينما الألومنيوم ليس مغناطيسيًا بالمعنى التقليدي, تفاعلها مع الحقول المغناطيسية بالتناوب كلاهما مهم ومهم تقني.

غالبًا ما يلاحظ المهندسون والعلماء آثارًا غير متوقعة من الألومنيوم في بيئات كهرومغناطيسية عالية التردد أو ديناميكية,

ليس بسبب المغناطيسية المتأصلة, ولكن بسبب ظواهر التعريفي الكهرومغناطيسي مثل التيارات الدوامة و تأثير الجلد.

الظواهر الحالية الدوامة في الألومنيوم

عندما يتعرض الألومنيوم ل تغيير المجال المغناطيسي, مثل تلك الموجودة في تيار بالتناوب (AC) الأنظمة, التيارات الدوامة يتم إحداثها داخل المادة.

هذه هي حلقات متداولة من التيار الكهربائي الذي تم تشكيله استجابة لقانون فاراداي للتحريض الكهرومغناطيسي.

لأن الألومنيوم هو موصل ممتاز للكهرباء, يمكن أن تكون هذه التيارات الدوامة كبيرة.

• تخلق هذه التيارات المستحثة معارضة الحقول المغناطيسية, وفقًا لقانون لينز.
• الحقول المتعارضة مقاومة الحركة أو تباين المجال المغناطيسي الخارجي, إنتاج آثار مثل التخميد المغناطيسي أو اسحب.
• كثيرا ما تكون هذه المقاومة خاطئة للمغناطيسية ولكنها مجرد استجابة كهرومغناطيسية للحركة أو تغيير المجال.

مثال رئيسي: إذا تم إسقاط مغناطيس قوي من خلال أنبوب الألمنيوم, إنه يقع ببطء أكبر مما كان عليه من خلال الهواء.

هذا لا يحدث لأن الألومنيوم مغناطيسي, ولكن بسبب الكبح الحالي الدوامة.

الكبح الكهرومغناطيسي والرفع

يتم استغلال سلوك الألومنيوم تحت الحقول المغناطيسية المتناوبة في عدة التطبيقات الهندسية والصناعية, خاصة في:

• أنظمة الفرامل الكهرومغناطيسية: تستخدم في القطارات عالية السرعة والوقايات الدوارة, تمر أقراص أو ألواح الألومنيوم عبر الحقول المغناطيسية لتوليد المقاومة, السماح بسلاسة, الكبح بدون اتصال.
• الرفع الاستقرائي: يمكن رفع موصلات الألومنيوم باستخدام الحقول المغناطيسية المتذبذبة.
  هذا هو المبدأ وراء البعض ماجليف (الرفع المغناطيسي) تقنيات النقل.
• اختبار غير التدمير (NDT): تستخدم طرق التفتيش الحالية الدوامة على نطاق واسع على مكونات الألومنيوم للكشف عن الشقوق, تآكل, والتناقضات المادية.

هذه الظواهر ليست دليلًا على مغنطيسي الألومنيوم, ولكن من هو الموصلية الكهربائية عالية والتفاعل مع الحقول المتغيرة للوقت.

تأثير الجلد

ال تأثير الجلد يشير إلى ميل تيارات التيار المتردد للتركيز بالقرب من سطح الموصل. في مواد مثل الألومنيوم, يصبح هذا واضحًا عند الترددات العليا.

العمق الذي يمكن أن يخترق فيه التيار - يسمى عمق الجلد- يتناسب عكسيا مع الجذر التربيعي للتردد والنفاذية المغناطيسية.

• للألمنيوم في 60 هرتز, عمق الجلد موجود 8.5 مم.
• في ترددات أعلى (على سبيل المثال, MHz), انخفاض عمق الجلد إلى الميكرون, جعل الطبقة السطحية المسار الحالي المهيمن.
• هذا له آثار على حماية الميكروويف, التدفئة RF, و التدخل الكهرومغناطيسي (emi) إدارة.

6. السبائك والشوائب في الألومنيوم: تأثيرهم على المغناطيسية

في حين أن الألمنيوم النقي مغنطيسي بقدرة مغناطيسية ضعيفة للغاية, يمكن أن يختلف سلوكه المغناطيسي قليلاً اعتمادًا على عناصر صناعة السبائك, الشوائب, و المعالجة الميكانيكية.

للمهندسين, المعادن, والمصممين, يعد فهم هذه التفاصيل الدقيقة أمرًا بالغ الأهمية عند اختيار درجات الألومنيوم للتطبيقات التي تنطوي على الحقول المغناطيسية أو التداخل الكهرومغناطيسي.

معظم سبائك الألومنيوم غير مغناطيسية

الغالبية العظمى من سبائك الألمنيوم التجارية - بما في ذلك الاستخدام الشائع 6000 و 7000 مسلسل (على سبيل المثال, 6061, 7075)-يبقى غير مغناطيسية في ظل الظروف العادية.

هذا لأن عناصر السبائك الأساسية الخاصة بهم, مثل المغنيسيوم (ملغ), السيليكون (و), الزنك (Zn), و نحاس (النحاس), لا تنقل خصائص مغناطيسية كبيرة.

سلسلة سبيكة	عناصر السبائك الرئيسية	السلوك المغناطيسي
1xxx	الألومنيوم النقي (>99%)	غير مغناطيسية
2xxx	نحاس	غير مغناطيسية
5xxx	المغنيسيوم	غير مغناطيسية
6xxx	ملغ + و	غير مغناطيسية
7xxx	الزنك	غير مغناطيسية

البصيرة الرئيسية: الهيكل البلوري الأساسي (FCC) والافتقار إلى الإلكترونات غير المتوفرة في الألومنيوم وعناصر السبائك الرئيسية الخاصة به يضمن أن هذه المواد لا تظهر السلوك المغنطيسي المغنطيسي أو القوي.

الشوائب التي يمكن أن تقدم التأثيرات المغناطيسية

في بعض الحالات, تتبع الشوائب أو الملوثات-خصوصًا حديد (Fe), النيكل (في), أو الكوبالت (شارك)- يمكن أن تسبب جاذبية مغناطيسية مترجمة أو ضعيفة:

• حديد, عادة ما يكون بمثابة شوائب متبقية في الألمنيوم المعاد تدويره أو المنخفضة, يمكن أن تشكل مركبات intermetallic مثل al₃fe, التي قد تظهر الاستجابة المغناطيسية الموضعية.
• النيكل والكوبالت, على الرغم من نادرة في سبائك الألمنيوم النموذجية, هي مغناطيسية قوية ويمكن أن تؤثر على التفاعل المغناطيسي العام للمادة إذا كانت موجودة بكميات كافية.

لكن, هذه الآثار هي عادة بسيطة و لا يمكن اكتشافها بدون أجهزة حساسة مثل اهتزاز عينة المغنطيسية (VSMS).

التشوه الميكانيكي والعمل البارد

العمليات الميكانيكية مثل المتداول البارد, الانحناء, أو رسم يمكن إدخال خلع, تصلب السلالة, وتباين الخواص في الهياكل المجهرية الألومنيوم.

مع ذلك, هذه التغييرات تفعل لا تغير التصنيف المغناطيسي من المواد:

• يبقى الألومنيوم غير مغناطيسية بعد التشوه الميكانيكي.
• قد يزداد العمل البارد المقاومة الكهربائية, لكن هذا لا يؤدي إلى المغناطيسية الدائمة أو المتبقية.

اللحامات, الطلاء, والتلوث السطحي

يقوم بعض المستخدمين بالإبلاغ عن السلوك المغناطيسي في أجزاء الألومنيوم بعد التصنيع.

في معظم هذه الحالات, السبب التلوث الخارجي بدلا من تغيير في سبائك الألومنيوم نفسها:

• طعوم اللحام, خاصة من الفولاذ المقاوم للصدأ أو الأقطاب الصلب الكربوني, يمكن إدخال الجسيمات المغناطيسية.
• أدوات الصلب أو جهة الاتصال قد تترك كميات تتبع من المواد المغناطيسية على السطح.
• الطلاء أو اللوحات (على سبيل المثال, طبقات النيكل أو الحديد) يمكن أن يؤدي إلى المغناطيسية في اختبارات السطح, في حين أن الألمنيوم الأساسي لا يزال غير مغناطيسي.

التنظيف المنتظم والاختبار غير التدمير (NDT) يمكن أن تساعد في التمييز بين خصائص المواد الأصلية والتلوث السطحي.

7. الآثار الصناعية والعملية

الطبيعة غير المغناطيسية للألمنيوم تجعلها مناسبة للغاية للبيئات الحساسة:

• الأجهزة الطبية: يستخدم الألومنيوم على نطاق واسع في الأدوات والزرع المتوافقة مع التصوير بالرنين المغناطيسي بسبب عدم تدخله في التصوير.
• الإلكترونيات: في الهواتف الذكية, أجهزة الكمبيوتر المحمولة, والمقلبات, يوفر الألومنيوم قوة دون التأثير على مقاييس المغناطيسية أو البوصلات.
• الفضاء والسيارات: مكونات الألومنيوم خفيفة الوزن وغير مغناطيسية تمنع التداخل الكهرومغناطيسي في أجهزة استشعار إلكترونيات الطيران وأجهزة استشعار المركبات.
• إعادة التدوير: تفصل Sorters الحالي من الألمنيوم عن المواد الحديدية بناءً على استجابة موصلة, ليس جاذبية مغناطيسية.

8. الألومنيوم مقابل. المواد المغناطيسية

إن فهم كيفية مقارنة الألومنيوم بالمواد المغناطيسية حقًا أمر ضروري في مجالات مثل هندسة المواد, تصميم المنتج, والتوافق الكهرومغناطيسي (EMC) تخطيط.

9. هل يمكن أن يصبح الألمنيوم مغناطيسيًا?

بطبيعة الحال, لا يمكن أن يصبح الألومنيوم مغنطيسيًا. لكن:

• الطلاء السطح (على سبيل المثال, أكسيد الحديد أو النيكل) يمكن أن تضيف استجابة مغناطيسية لأسطح الألومنيوم.
• المركبات: الألومنيوم مختلطة مع المساحيق المغناطيسية يمكن أن تظهر السلوك المغناطيسي في الهيكل النهائي.
• البيئات المبردة: حتى في درجات الحرارة القريبة من الصفر, لا يزال الألمنيوم غير مغناطيسي.

10. المفاهيم الخاطئة الشائعة

• "الألومنيوم مغناطيسي بالقرب من المغناطيس القوي": هذا بسبب التيارات الدوامة, ليس جاذبية مغناطيسية فعلية.
• "كل المعادن مغناطيسية": في الواقع, فقط عدد قليل من المعادن (حديد, الكوبالت, النيكل) هي حقا المغناطيسية.
• الألومنيوم مقابل. الفولاذ المقاوم للصدأ: بعض درجات الفولاذ المقاوم للصدأ (يحب 304) غير مغناطيسية; آحرون (مثل 430) مغناطيسية.

فهم هذه الاختلافات أمر ضروري ل اختيار المواد وتصميم المنتج.

11. خاتمة

الألومنيوم هو المعادن المغنطيسية, مما يعني أنه يعرض ضعيف, السلوك المغناطيسي غير المحاكمة. هو - هي لا تلتزم بالمغناطيس, ولا يمكن أن تكون مغناطيسية مثل المعادن الحديدية.

لكن, إنه التفاعل مع تغيير الحقول المغناطيسية, من خلال التيارات الدوامة, يجعلها مادة حيوية في الأنظمة الكهرومغناطيسية, بيئات التصوير بالرنين المغناطيسي, و الهياكل غير المغناطيسية.

للمهندسين, المصممون, والمصنعين, التعرف على الألومنيوم غير مغناطيسية حتى الآن استجابة كهربائيا الطبيعة تسمح بأذكى, أكثر أمانًا, واستخدام المواد الأكثر كفاءة في تطبيقات حديثة لا حصر لها.

 

الأسئلة الشائعة

هل ينجذب الألمنيوم إلى مغناطيس?

لا ينجذب الألومنيوم إلى مغناطيس بالطريقة التي يتم بها مواد المغناطيسية مثل الحديد.

إنها مغنطيسي, وهذا يعني أن لديها حساسية مغناطيسية ضعيفة للغاية وإيجابية, لكن هذا التأثير أصغر من أن يسبب جاذبية ملحوظة في ظل الظروف العادية.

هل يمكن أن يصبح الألمنيوم مغناطيسيًا بشكل دائم?

لا. الألومنيوم يفتقر إلى الهيكل الإلكتروني اللازم ل المغناطيسية, لذلك لا يمكن أن تحتفظ بالمغناطيسية الدائمة مثل الحديد أو النيكل.

هل تتصرف سبائك الألومنيوم بشكل مختلف عن الألومنيوم النقي?

تبقى معظم سبائك الألومنيوم غير مغناطيسية أو فقط ضعيفة المغناطيسية.

لكن, إذا كانت السبائك تحتوي على شوائب مغناطيسية مثل الحديد أو النيكل, قد تظهر استجابات مغناطيسية طفيفة.

هل السلوك المغناطيسي للألمنيوم يتأثر بدرجة الحرارة?

سلوك الألومنيوم المغنطيسي مستقر إلى حد ما مع تغيرات في درجة الحرارة ولا يظهر ظواهر مثل درجة حرارة الكوري التي لوحظت في المواد المغناطيسية.