هو نيكل مغناطيسي? – حقائق, الأساطير, والرؤى الصناعية

1. مقدمة

غالبًا ما يرتبط النيكل بالمغناطيسية, لكن السؤال "هو النيكل المغناطيسي?" يتطلب إجابة دقيقة.

في درجة حرارة الغرفة, النيكل النقي مغنطيسي, الانضمام إلى الحديد والكوبالت كواحد من المعادن الشائعة الوحيدة التي يمكن أن تكون مغناطيسية وتحتفظ بها المغناطيسية.

لكن, هذا السلوك غير ثابت -درجة حرارة, نقاء, ضغط, والسبائك هل يمكن جميعًا تغيير الاستجابة المغناطيسية للنيكل.

على سبيل المثال, تسخين النيكل وراءه درجة حرارة كوري (~ 358 درجة مئوية / 676 ° f) يحولها إلى حالة مغناطيسية, أثناء سبائك النحاس (على سبيل المثال, مونيل) ينتج مواد غير مغناطيسية بشكل أساسي.

هذه التحولات تجعل النيكل رائعا علميا وهامة من الناحية التكنولوجية.

2. علم المغناطيسية للنيكل

السلوك المغناطيسي للنيكل ينبع من بنية ذرية.

تكوين الإلكترون من النيكل [AR] 3D⁸ 4S², وهذا يعني اثنين من الإلكترونات غير المقيدة في مداري ثلاثي الأبعاد. هذه الإلكترونات غير المقيدة تولد أ لحظة مغناطيسية.

عندما تتفاعل ذرات النيكل, ال تبادل التفاعل يسبب محاذاة تدور الإلكترون المجاور في نفس الاتجاه, يؤدي إلى المغناطيسية.

تسمى هذه المناطق المحاذاة المجالات المغناطيسية, الذي يجمع بين إنتاج المغناطيسية القابلة للقياس على مستوى الجزء الأكبر.

3. الخصائص المغناطيسية للنيكل النقي

النيكل النقي المغنطيسية في درجة حرارة الغرفة, مع لحظة مغناطيسية حوالي 0.6 مغنطيسية بوهر لكل ذرة (μB). تعتمد قوة المغناطيسية على درجة الحرارة:

• تحت درجة حرارة كوري (TC ~ 358 درجة مئوية / 676 ° f / 631 ك): يحافظ النيكل على المغناطيسية القوية, مع المجالات المحاذاة.
• فوق درجة حرارة كوري: يصبح النيكل مغنطيسي- لا تزال الذرات لها لحظات مغناطيسية, لكن التحريض الحراري يعطل الترتيب بعيد المدى.

هذا الانتقال أمر بالغ الأهمية للتطبيقات ذات درجة الحرارة العالية مثل توربينات الغاز أو الأفران, حيث قد تفقد سبائك النيكل المغناطيسية.

4. العوامل التي تؤثر على مغنطيسي النيكل

النيكل النقي مغنطيسي في درجة حرارة الغرفة, لكن المغناطيسية غير ثابتة.

كلاهما نقاء المواد و الشروط الخارجية- مثل درجة الحرارة, ضغط, والسبائك - يمكن أن تعزز بشكل كبير, يضعف, أو القضاء على خصائصها المغناطيسية.

نقاء: الشوائب كمعدلات مغناطيسية

النيكل العالي العالي (99.99 ٪) يعرض أقوى المغناطيسية المغناطيسية, مع تشبع مغنطة ~ 0.615 تسلا (ر).

في المقابل, النيكل التجاري (99.0-99.5 ٪) عادة ما يسقط ل ~ 0.58 ر, إلى حد كبير بسبب الشوائب.

تعمل عناصر الشوائب المختلفة كمعدلات مغناطيسية:

درجة حرارة

المغناطيسية في النيكل تعتمد على درجة الحرارة بدرجة كبيرة. أسفلها درجة حرارة كوري (~ 358 درجة مئوية / 676 ° f / 631 ك), يحافظ النيكل على محاذاة تدور بعيدة المدى.

مرة واحدة تسخين وراء هذه العتبة, يصبح مغنطيسي, وهذا يعني أنه ينجذب بشكل ضعيف إلى الحقول المغناطيسية الخارجية ولكن لا يمكنه الحفاظ على المغنطة الدائمة.

الضغط والبنية البلورية

تحت ضغوط عالية أو تعديلات هيكلية (على سبيل المثال, أفلام رقيقة, الهياكل النانوية), يتغير التباعد بين ذرات النيكل.

هذا يغير تبادل التفاعل التي تستقر المغناطيسية.

تظهر الأبحاث أن الضغوط الشديدة (>30 GPA) يمكن قمع أو تعديل الطلب المغناطيسي للنيكل, جعل هذا العامل ذو صلة علم الجيوفيزياء وعلوم المواد ذات الضغط العالي.

سبائك: تخصيص السلوك المغناطيسي

أعظم براعة صناعية للنيكل تأتي من صناعة السبائك, التي تغني المغناطيسية عبر الطيف الكامل-من العنق المغناطيسي القوي إلى غير المغناطيسي.

5. قياس الخصائص المغناطيسية للنيكل

التوصيف الدقيق للمغناطيسية للنيكل ضروري للتأهل المادي, ضبط الجودة, والبحث المتقدم.

يعتمد المهندسون والعلماء على العديد من التقنيات المعمول بها لقياس الأداء المغناطيسي وضمان ملاءمة لتطبيقات محددة.

الاهتزاز عينة المغنطيسية (VSM, ASTM A894)

VSM هي الطريقة القياسية لقياس الخواص المغناطيسية للنيكل, خاصة للعينات الصغيرة (5-50 ملغ).
تقنية تهتز عينة في مجال مغناطيسي, والجهد المستحث يتناسب مع لحظته المغناطيسية. يوفر VSM ثلاثة معلمات مهمة:

• تشبع مغنطة (آنسة): الاستجابة المغناطيسية القصوى (~ 0.615 ر للنيكل النقي).
• الإكراه (HC): قوة الحقل المطلوبة لتزويد العينة (~ 0.005 أنت للنيكل النقي, تأكيد طابعها "المغناطيسي الناعم").
• التكرار (BR): المغناطيسية المتبقية بعد إزالة الميدان (~ 0.3 طن للنيكل).

تحليل حلقة التباطؤ

منحنيات التباطؤ (حلقات ب) توضح كيف يستجيب النيكل للحقول المغناطيسية المتغيرة.

يظهر النيكل النقي حلقة ضيقة, مما يعكس انخفاض الإكراه والتخليص - على أساس التطبيقات التي تتطلب دورات مغنطة سريعة وتزوير المغناطيسية (على سبيل المثال, محولات, أجهزة استشعار).

على النقيض من ذلك, سبائك المغناطيس الدائمة القائمة على النيكل مثل أنيكو عرض حلقات واسعة, الاحتفاظ بالمغناطيسية القوية حتى بدون مجال خارجي.

فحص الجسيمات المغناطيسية (MPI, ASTM E709)

وإن لم تكن طريقة قياس مباشرة, يستغل MPI المغناطيسية المنبثقة للنيكل للاختبار غير التدمي.

يتم تطبيق مجال مغناطيسي على جزء النيكل, وتشتت جزيئات الحديد عبر سطحها. تتجمع الجسيمات عند الانقطاع حيث يتسرب التدفق المغناطيسي ","الكشف عن الشقوق أو العيوب.

يستخدم MPI على نطاق واسع للمكونات الحرجة للسلامة مثل شفرات التوربينات والفواصل المغناطيسية.

6. الأهمية الصناعية للمغناطيسية للنيكل

إن السلوك المغناطيسي للنيكل ليس فضولًا مختبريًا ولكنه خاصية ذات عواقب هندسية عميقة.

سواء تم استغلالها أو قمعها عمدا, يؤثر مغناطيسيها على كيفية نشر النيكل وسبائكه عبر الصناعات الحرجة.

الاستفادة من المغناطيسية: التطبيقات المغناطيسية

المغناطيسية الناعمة للنيكل - التي يتم تحطيمها بواسطة نفاذية مغناطيسية عالية وانخفاض الإكراه - تجعله حجر الزاوية في التقنيات المغناطيسية الحديثة:

• التخزين المغناطيسي: سبائك Ni -Fe جزء لا يتجزأ من رؤساء القراءة/الكتابة على محرك الأقراص الصلبة, حيث تتيح قدرتهم على تبديل المغنطيسية تسجيل البيانات واستردادها بكثافة عالية.
• أجهزة الاستشعار المغناطيسية: يتم استخدام أفلام النيكل الرقيقة في أجهزة استشعار التأثير القوي والأجهزة المقاومة للمغناطيسية,
  حيث تترجم الاختلافات في التدفق المغناطيسي إلى إشارات كهربائية - حرجة لمقاييس سرعة السيارات, الروبوتات, والأتمتة الصناعية.
• الفواصل المغناطيسية: تستغل بكرات الصلب المطلية بالنيكل في صناعات إعادة التدوير والتعدين قدرة النيكل على تعزيز الميدان لجذب وفصل المواد المغناطيسية من تيارات النفايات.
• المحولات والمحاثات: بيرمالوي (78% في, 22% Fe) يحقق قيم النفاذية المغناطيسية التي تتجاوز 100,000, أعلى بكثير من الحديد النقي, تمكين مضغوط, نوى المحولات الموفرة للطاقة وملفات المحث.

تجنب المغناطيسية: التطبيقات غير المغناطيسية

في العديد من التقنيات المتقدمة, المغناطيسية ليست أحد الأصول بل خطر - مخاطر التداخل أو السلامة.

قدرة النيكل على تكوين مستقر, السبائك غير المغناطيسية تجعلها لا تقدر بثمن في مثل هذه البيئات:

• الفضاء: Inconel 625 ويتم استخدام Hastelloy C-276 في محركات الطائرات النفاثة وأنظمة الملاحة, حيث يضمن الأداء غير المغنطيسي دقة البوصلات وأنظمة التوجيه الإلكترونية.
• الأجهزة الطبية: ماسحات التصوير بالرنين المغناطيسي, التي تعمل بحقول تتجاوز 1.5-3 تسلا, تتطلب سبائك النيكل التي لا تزال غير مغناطيسية تحت حقول قوية (على سبيل المثال, لا - سبائك), ضمان سلامة المريض ووضوح التشخيص.
• الإلكترونيات: تم تصميم سبائك NI -CU لتقليل التداخل المغناطيسي, ضمان الهوائيات, أجهزة استشعار, تعمل دوائر التردد الراديوي دون التدريع أو التشويه غير المرغوب فيه.

موازنة المغناطيسية مع الخصائص الأخرى

يجب على بعض القطاعات التوفيق بين المتطلبات المغناطيسية مع متطلبات وظيفية أخرى مثل مقاومة التآكل والقوة الميكانيكية:

• البحرية هندسة: مونيل 400 (≈65 ٪ لديهم, 34% النحاس) هو الضعيف المغناطيسي, التوصل إلى حل وسط بين مقاومة تآكل مياه البحر والحد الأدنى من تعطيل بوصلة السفن.
• استكشاف النفط والغاز: السبائك القائمة على النيكل مع المغناطيسية الخاضعة للرقابة (على سبيل المثال, 90% في, 10% Fe) تستخدم في أدوات قاع البئر,
  تقديم كل من مقاومة التآكل في بيئات البئر القاسية والمغناطيسية الكافية للتسجيل المغناطيسي لتكوينات الصخور.
• أنظمة الطاقة: توفر سبائك NI -FE المتخصصة مغناطيسية مصممة لمكونات المفاعل النووي,
  تحقيق التوازن بين المغناطيسية المنخفضة (لمنع اضطراب تدفق النيوترون) مع السلامة الهيكلية المطلوبة تحت الإشعاع الشديد والظروف الحرارية.

7. المفاهيم الخاطئة الشائعة حول مغنطيسية النيكل

غالبًا ما يساء فهم السلوك المغناطيسي للنيكل, يؤدي إلى أخطاء التصميم, اختيار السبائك غير لائقة, أو افتراضات معيبة حول الأداء.

فيما يلي أكثر المفاهيم الخاطئة شيوعًا الموضحة بالأدلة العلمية:

اعتقاد خاطئ 1: "كل النيكل مغناطيسي."

• لماذا الأسطورة موجودة: النيكل هو واحد من المعادن المغناطيسية الثلاثة المشتركة (إلى جانب الحديد والكوبالت), لذلك غالبًا ما يتم تعميمه على أنه "مغناطيسي دائمًا".
• حقيقة: النيكل النقي مغنطيسي في درجة حرارة الغرفة, لكن السبائك مع عناصر مثل النحاس, الكروم, أو يمكن لموليبدينوم قمع المغناطيسية.
  على سبيل المثال, Inconel 625 (In-CR-I) هو في الأساس غير مغناطيسي, بينما مونيل K-500 (ني -كو -) هو مجرد مغناطيسي ضعيف.
• المعنى الضمني: يجب على المهندسين التحقق من تكوين السبائك بدلاً من افتراض "النيكل = المغناطيسي".

اعتقاد خاطئ 2: "النيكل مغناطيسي مثل الحديد."

• لماذا الأسطورة موجودة: غالبًا ما يتم تجميع النيكل والحديد معًا في مناقشات المعادن المغناطيسية.
• حقيقة: الحديد لديه مغنطة تشبع أعلى بكثير (~ 2.15 ر) مقارنة بالنيكل (~ 0.615 ر)- أقوى ثلاث مرات.
  مغناطيسية النيكل أضعف, لكن مقاومة التآكل المتفوقة تجعلها المادة المفضلة في البيئات التي يتدهور فيها الحديد بسرعة (على سبيل المثال, أجهزة الاستشعار البحرية, النباتات الكيميائية).
• المعنى الضمني: تم اختيار النيكل ليس لأقصى قدر من المغناطيسية, ولكن لتوازنها في المغناطيسية والمتانة البيئية.

3: "الأشياء المطلية بالنيكل مغناطيسي بسبب طبقة النيكل."

• لماذا الأسطورة موجودة: العديد من الأشياء "المغناطيسية" اليومية (عملات معدنية, أدوات) لديك طلاء النيكل المرئي.
• حقيقة: الطلاء النيكل رفيع للغاية (5-50 ميكرون), رفيع جدًا للسيطرة على السلوك المغناطيسي. يعتمد المغناطيسية على الركيزة:

• • الصلب المطلي بالنيكل → مغناطيسي بقوة (بسبب قلب الصلب).
  • الألومنيوم المطلي بالنيكل → غير مغناطيسية (لأن الألومنيوم غير مغناطيسي, ويضيف فيلم النيكل الرقيق المغناطيسية اللاإرادية).

• المعنى الضمني: يستخدم طلاء النيكل في المقام الأول لمقاومة التآكل والجمال, ليس للوظائف المغناطيسية.

اعتقاد خاطئ 4: "يفقد النيكل المغناطيسية في الماء."

• لماذا الأسطورة موجودة: الماء يضعف المغناطيس بمرور الوقت بسبب تآكل المواد القائمة على الحديد, مما يؤدي إلى الاعتقاد الخاطئ بأن الماء يلغي المغناطيسية مباشرة.
• حقيقة: الماء مغناطيسي (تم صدها بشكل ضعيف بواسطة الحقول المغناطيسية), لكن هذا التأثير لا يكاد يذكر. لا يزال النيكل النقي مغناطيسيًا تحت الماء.
  ما يهم هو التآكل - مقاومة نيكل للأكسدة تضمن أنها تحتفظ بالمغناطيسية لفترة أطول بكثير من الحديد غير المحمي.
• المعنى الضمني: سبائك النيكل حاسمة في أجهزة استشعار تحت الماء, الملاحة البحرية, والإلكترونيات تحت سطح البحر حيث يلزم المغناطيسية المستقرة.

8. بيانات مرجعية سريعة: النيكل والسبائك المشتركة

9. خاتمة

النيكل مغناطيسي - لكن ليس دائمًا بنفس الطريقة. النيكل النقي مغنطيسي في درجة حرارة الغرفة, بعد درجة الحرارة, الشوائب, ويمكن أن تعزز السبائك, يضعف, أو قمع المغناطيسية.

هذه المرونة تجعل النيكل نجمًا في الصناعة: من البرمجة المغناطيسية الناعمة في المحولات إلى inconel غير المغناطيسية في الفضاء, تم تصميم سلوكه المغناطيسي لتناسب المهمة.

إن فهم متى-ولماذا-Nickel مغناطيسي هو مفتاح تصميم المواد التي تؤدي في ظل ظروف العالم الحقيقي.

الأسئلة الشائعة

هل نيكل نقي مغناطيس دائم?

أ: لا - النيكل هو أ مادة مغناطيسية ناعمة, وهذا يعني أنه يغني بسهولة في مجال خارجي ولكنه يفقد معظم المغناطيسية عند إزالة الحقل (انخفاض remanence).

لجعل المغناطيس الدائم, نيكل ملموس مع الكوبالت, الألومنيوم, والحديد (على سبيل المثال, Alnico allays), التي لها رميات عالية.

يمكن إزالة النيكل?

أ: نعم - يسخن النيكل فوق درجة حرارة الكوري (358درجة مئوية) أو تعريضه إلى مجال مغناطيسي عكسي سيؤدي إلى إزالة المغناطيسية.

للتطبيقات الدقيقة (على سبيل المثال, أجهزة الاستشعار المغناطيسية), يتم تنفيذ إزالة المغناطيسية عبر "degaussing" (تطبيق مجال مغناطيسي بالتناوب).

هل النيكل مغناطيسي في الفضاء (فراغ أو جاذبية صفر)?

أ: نعم - المغناطيسية هي خاصية للمادة, لا الجاذبية أو الجو.

يحتفظ النيكل المغناطيسي في الفضاء, على الرغم من درجات الحرارة القصوى (على سبيل المثال, الظروف المبردة أو القريبة) قد تغير سلوكها (على سبيل المثال, درجات الحرارة المبردة تزيد من الترتيب المغناطيسي, في حين أن درجات الحرارة المرتفعة فوق TC تجعله paramagnetic).

لماذا يستخدم النيكل في وسائط التسجيل المغناطيسي?

أ: سبائك النيكل الحديد لها نفاذية مغناطيسية عالية وانخفاض الإكراه, جعلها مثالية لرؤوس القراءة/الكتابة في محركات الأقراص الصلبة.

يمكنهم اكتشاف إشارات مغناطيسية صغيرة من القرص وإنشاء إشارات دقيقة لكتابة البيانات-أمرًا غريب الأطوار للتخزين عالي الكثافة.

هل تتعلق بحساسية النيكل بالمغناطيسية?

أ: لا - حساسية النيكل ناتجة عن أيونات النيكل (يأكل) الترشيح من المعدن ويؤدي إلى استجابة مناعية, ليس بخصائصها المغناطيسية.

سبائك النيكل المغناطيسية وغير المغناطيسية (على سبيل المثال, Inconel 625) يمكن أن يسبب كلاهما حساسية إذا تم إطلاق أيونات النيكل.