نیکل مغناطیسی است? – حق, اسطوره, و بینش های صنعتی

1. مقدمه

نیکل اغلب با مغناطیس همراه است, اما سوال "آیا نیکل مغناطیسی است?” به یک پاسخ ظریف نیاز دارد.

در دمای اتاق, نیکل خالص فرومغناطیسی است, پیوستن به آهن و کبالت به عنوان یکی از تنها فلزات رایج که می تواند مغناطیس شود و مغناطیس آن را حفظ کند.

هر چند, این رفتار برطرف نشده است -درجه حرارت, خلوص, فشار, و آلیاژ همه می توانند پاسخ مغناطیسی نیکل را تغییر دهند.

به عنوان مثال, گرم کردن نیکل فراتر از آن دمای (358 درجه سانتیگراد / 676 ° F) آن را به حالت پارامغناطیسی تبدیل می کند, در حالی که با مس آلیاژ می شود (به عنوان مثال, سرود) موادی تولید می کند که اساساً غیر مغناطیسی هستند.

این شیفت ها نیکل را از نظر علمی جذاب و از نظر فنی مهم می کند.

2. علم مغناطیس نیکل

رفتار مغناطیسی نیکل از آن سرچشمه می گیرد ساخت اتمی.

پیکربندی الکترون نیکل است [ar] 3d⁸ 4s², به معنای آن است دو الکترون بدون جفت در مداری سه بعدی آن. این الکترونهای بدون زوج تولید می کنند لحظه مغناطیسی.

وقتی اتم های نیکل در تعامل هستند, در تعامل باعث می شود چرخش الکترون همسایه در همان جهت تراز شود, به فرومایگرایی.

این تراز مناطقی را تشکیل می دهد دامنه های مغناطیسی, که برای تولید مغناطیس قابل اندازه گیری در سطح فله ترکیب می شوند.

3. خصوصیات مغناطیسی نیکل خالص

نیکل خالص است فرومغناطیسی در دمای اتاق, با یک لحظه مغناطیسی در حدود 0.6 مگنتون های بور در هر اتم (μB). قدرت مغناطیس آن به دما بستگی دارد:

• زیر دمای کوری (TC 358 درجه سانتیگراد / 676 ° F / 631 k): نیکل فرومغناطیس قوی را حفظ می کند, با دامنه های تراز.
• بالاتر از دمای کوری: نیکل می شود وابسته به گروه بندی- اتمهای آن هنوز لحظات مغناطیسی دارند, اما آشفتگی حرارتی باعث اختلال در برد دور می شود.

این انتقال برای کاربردهای درجه حرارت بالا مانند توربین های گازی یا کوره بسیار مهم است, جایی که آلیاژهای نیکل ممکن است مغناطیس را از دست بدهند.

4. عوامل مؤثر بر مغناطیس نیکل

نیکل خالص در دمای اتاق فرومغناطیسی است, اما مغناطیس آن ثابت نیست.

هر دو خلوص مادی وت شرایط خارجی- به اندازه دما, فشار, و آلیاژ - می تواند به طور قابل توجهی افزایش یابد, ضعیف کردن, یا خصوصیات مغناطیسی آن را از بین ببرید.

خلوص: ناخالصی ها به عنوان اصلاح کننده های مغناطیسی

نیکل فوق العاده بلند (99.99 ٪) قوی ترین فرومغناطیس ممکن را به نمایش می گذارد, با یک مغناطش اشباع از 0.615 tesla (حرف).

در مقابل, نیکل تجاری (99.0-99.5 ٪) به طور معمول قطره به 0.58 t, عمدتا به دلیل ناخالصی ها.

عناصر ناخالصی مختلف به عنوان اصلاح کننده مغناطیسی عمل می کنند:

درجه حرارت

فرومغناطیس نیکل بسیار وابسته به دما است. زیر آن دمای (358 درجه سانتیگراد / 676 ° F / 631 k), نیکل تراز چرخش دوربرد را حفظ می کند.

هنگامی که فراتر از این آستانه گرم شد, می شود وابسته به گروه بندی, به این معنی که ضعیف به میدان های مغناطیسی خارجی جذب می شود اما نمی تواند مغناطیس دائمی را حفظ کند.

فشار و ساختار کریستالی

تحت فشارهای بسیار بالا یا اصلاحات ساختاری (به عنوان مثال, فیلم های نازک, ناو ساختار), فاصله بین اتم های نیکل تغییر می کند.

این تغییر می کند تعامل این باعث تثبیت فرومغناطیس می شود.

تحقیقات نشان می دهد که فشارهای شدید (>30 معدل) می تواند سفارش مغناطیسی نیکل را سرکوب یا اصلاح کند, ایجاد این عامل در ژئوفیزیک و علم مواد با فشار بالا.

هلیاژ: خیاطی رفتار مغناطیسی

بزرگترین تطبیق پذیری صنعتی نیکل از آلیاژ ناشی می شود, که مغناطیس را در طیف کامل تنظیم می کند-از فرومغناطیسی تا غیر مغناطیسی.

5. اندازه گیری خصوصیات مغناطیسی نیکل

توصیف دقیق مغناطیس نیکل برای صلاحیت مواد ضروری است, کنترل کیفیت, و تحقیقات پیشرفته.

مهندسان و دانشمندان برای تعیین کمیت عملکرد مغناطیسی و اطمینان از مناسب بودن برای برنامه های خاص ، به چندین تکنیک تعیین شده متکی هستند.

آهنربای سنج نمونه ارتعاش (VSM, ASTM A894)

VSM روش معیار برای اندازه گیری خواص مغناطیسی نیکل است, به خصوص برای نمونه های کوچک (5-50 میلی گرم).
این تکنیک یک نمونه را در یک میدان مغناطیسی ارتعاش می کند, و ولتاژ ناشی از آن متناسب با لحظه مغناطیسی آن است. VSM سه پارامتر مهم را ارائه می دهد:

• مغناطش اشباع (ام‌اس): حداکثر پاسخ مغناطیسی (0.615 t برای نیکل خالص).
• فشار (HC): قدرت میدانی مورد نیاز برای بدنام کردن نمونه است (0.005 پوند شما برای نیکل خالص, تأیید شخصیت "مغناطیسی نرم" آن).
• تداوم (بید): مغناطیس باقیمانده پس از برداشتن میدان (0.3 t برای نیکل).

تجزیه و تحلیل حلقه هیسترزیس

منحنی های هیسترزیس (حلقه های ب - H) نشان دهید که چگونه نیکل به تغییر میدان های مغناطیسی پاسخ می دهد.

نیکل خالص یک حلقه باریک به نمایش می گذارد, منعکس کننده نیروی کم و بازپرداخت - IDEAL برای برنامه هایی که نیاز به چرخه مغناطیسی سریع و تغییر شکل گیری دارند (به عنوان مثال, ترانسفورماتور, حسگر).

در مقابل, آلیاژهای آهنربای دائمی مبتنی بر نیکل مانند النیکو نمایش حلقه های گسترده, حفظ مغناطیس قوی حتی بدون میدان خارجی.

بازرسی ذرات مغناطیسی (MPI, ASTM E709)

اگرچه یک روش اندازه گیری مستقیم نیست, MPI از فرومغناطیس نیکل برای آزمایش غیر مخرب سوء استفاده می کند.

یک میدان مغناطیسی برای قسمت نیکل اعمال می شود, و ذرات آهن در سطح آن پراکنده می شوند. ذرات در ناپیوستگی ها جمع می شوند که در آن شار مغناطیسی نشت می کند,"آشکار کردن ترک ها یا نقص ها.

MPI به طور گسترده ای برای اجزای مهم ایمنی مانند تیغه های توربین و جداکننده های مغناطیسی استفاده می شود.

6. ارتباط صنعتی مغناطیس نیکل

رفتار مغناطیسی نیکل کنجکاوی آزمایشگاهی نیست بلکه یک خاصیت با عواقب مهندسی عمیق است.

چه مورد سوء استفاده و چه عمدی سرکوب شده است, مغناطیس آن بر نحوه استقرار نیکل و آلیاژهای آن در صنایع بحرانی تأثیر می گذارد.

فرومغناطیس: کاربردهای مغناطیسی

فرومغناطیس نرم نیکل - که با نفوذپذیری مغناطیسی بالا و فشار کم مشخص می شود - آن را به سنگ بنای فن آوری های مغناطیسی مدرن تبدیل می کند:

• انباره مغناطیسی: آلیاژهای Ni -Fe برای خواندن/نوشتن درایو دیسک سخت است, جایی که توانایی آنها در تغییر سریع مغناطیس اجازه می دهد تا داده ها با چگالی بالا ضبط و بازیابی شوند.
• سنسورهای مغناطیسی: فیلم های نیکل نازک در سنسورهای اثر هال و دستگاههای مقاوم در برابر مگنتو به کار می روند,
  جایی که تغییرات در شار مغناطیسی به سیگنال های الکتریکی ترجمه می شود - بحرانی برای سرعت سنج خودرو, روباتیک, و اتوماسیون صنعتی.
• جدا کننده های مغناطیسی: غلطک های فولادی نیکل در صنایع بازیافت و معدن از توانایی تقویت مزرعه نیکل برای جذب و جدا کردن مواد فرومغناطیسی از جریان زباله استفاده می کنند.
• ترانسفورماتورها و سلف ها: جاذب (78% در, 22% با) به مقادیر نفوذپذیری مغناطیسی بیش از 100,000, بسیار بالاتر از آهن خالص, فشرده سازی, هسته های ترانسفورماتور با انرژی و سیم پیچ سلف.

اجتناب از مغناطیس: برنامه های غیر مغناطیسی

در بسیاری از فن آوری های پیشرفته, مغناطیس یک دارایی نیست بلکه یک خطر است..

توانایی نیکل در شکل گیری پایدار, آلیاژهای غیر مغناطیسی آن را در چنین محیط هایی ارزشمند می کند:

• هوافضا: ناله 625 و Hastelloy C-276 در موتورهای جت و سیستم های ناوبری استفاده می شود, جایی که عملکرد غیر مغناطیسی دقت قطب نما و سیستم های راهنمایی الکترونیکی را تضمین می کند.
• تجهیزات پزشکی: اسکنرهای MRI, که با زمینه های بیش از 1.5-3 تسلا کار می کنند, به آلیاژهای نیکل نیاز دارید که در مزارع قوی غیر مغناطیسی باقی می مانند (به عنوان مثال, هیچ یک از آلیاژهای CR), تضمین ایمنی بیمار و هم وضوح تشخیصی.
• الکترونیک: آلیاژهای Ni -Cu برای به حداقل رساندن تداخل مغناطیسی مهندسی شده اند, تضمین آنتن, حسگر, و مدارهای فرکانس رادیویی بدون محافظ یا تحریف ناخواسته عمل می کنند.

متعادل کردن مغناطیس با سایر خصوصیات

برخی از بخش ها باید نیازهای مغناطیسی را با سایر خواسته های عملکردی مانند مقاومت در برابر خوردگی و قدرت مکانیکی آشتی دهند:

• دریایی مهندسی: سرود 400 (65 ٪, 34% مس) فرومغناطیسی ضعیف است, ایجاد سازش بین مقاومت در برابر خوردگی آب دریا و حداقل اختلال در قطب نما کشتی.
• کاوش در نفت و گاز: آلیاژهای مبتنی بر نیکل با مغناطیس کنترل شده (به عنوان مثال, 90% در, 10% با) در ابزارهای downhole استفاده می شود,
  ارائه مقاومت در برابر خوردگی در محیط های چاه خشن و مغناطیس کافی برای ورود به سیستم مغناطیسی سازندهای سنگی.
• سیستم های انرژی: آلیاژهای تخصصی Ni -Fe مغناطیس متناسب برای اجزای راکتور هسته ای را فراهم می کنند,
  متعادل کردن مغناطیس کم (برای جلوگیری از آشفتگی شار نوترون) با یکپارچگی ساختاری مورد نیاز تحت تابش شدید و شرایط حرارتی.

7. تصورات غلط رایج در مورد مغناطیس نیکل

رفتار مغناطیسی نیکل اغلب اشتباه درک می شود, منجر به خطاهای طراحی, انتخاب نامناسب آلیاژ, یا فرضیات ناقص در مورد عملکرد.

در زیر رایج ترین تصورات غلط با شواهد علمی آورده شده است:

تصور غلط 1: "همه نیکل مغناطیسی است."

• چرا اسطوره وجود دارد: نیکل یکی از سه فلز متداول فرومغناطیسی است (در کنار آهن و کبالت), بنابراین اغلب به عنوان "همیشه مغناطیسی" تعمیم یافته است.
• واقعیت: نیکل خالص در دمای اتاق فرومغناطیسی است, اما آلیاژ با عناصری مانند مس, کروم, یا مولیبدن می تواند فرومغناطیس را سرکوب کند.
  به عنوان مثال, ناله 625 (در CR-I) در اصل غیر مغناطیسی است, در حالی که Monel K-500 (ni -cu -) فقط ضعیف فرومغناطیسی است.
• دلالت: مهندسان باید ترکیب آلیاژ را به جای فرض "نیکل = مغناطیسی" تأیید کنند.

تصور غلط 2: "نیکل به اندازه آهن مغناطیسی است."

• چرا اسطوره وجود دارد: نیکل و آهن اغلب در بحث های فلزات فرومغناطیسی با هم گروه بندی می شوند.
• واقعیت: آهن مغناطیس اشباع بسیار بالاتری دارد (2.15 t) در مقایسه با نیکل (0.615 t)- بیش از سه برابر قوی تر.
  مغناطیس نیکل ضعیف تر است, اما مقاومت در برابر خوردگی برتر آن ، آن را به عنوان ماده مورد نظر در محیط هایی که آهن به سرعت تخریب می شود ، می کند (به عنوان مثال, سنسورهای دریایی, گیاهان شیمیایی).
• دلالت: نیکل برای حداکثر مغناطیس انتخاب نمی شود, اما به دلیل تعادل مغناطیس و دوام محیطی.

3: "اشیاء روکش نیکل به دلیل لایه نیکل مغناطیسی هستند."

• چرا اسطوره وجود دارد: بسیاری از اشیاء "مغناطیسی" روزمره (سکه, ابزار) آبکاری نیکل قابل مشاهده است.
• واقعیت: روکش های نیکل بسیار نازک است (5-50 میکرومتر), خیلی نازک برای تسلط بر رفتار مغناطیسی. مغناطیس به بستر بستگی دارد:

• • فولاد روکش نیکل → به شدت مغناطیسی (به دلیل هسته فولادی).
  • آلومینیوم روکش نیکل → غیر مغناطیسی (از آنجا که آلومینیوم غیر مغناطیسی است, و فیلم نازک نیکل باعث فرومغناطیس ناچیز می شود).

• دلالت: آبکاری نیکل در درجه اول برای مقاومت در برابر خوردگی و زیبایی شناسی استفاده می شود, نه برای عملکرد مغناطیسی.

تصور غلط 4: "نیکل مغناطیس را در آب از دست می دهد."

• چرا اسطوره وجود دارد: آب به دلیل خوردگی مواد مبتنی بر آهن ، آهن ربا را به مرور زمان تضعیف می کند, منجر به این عقیده اشتباه می شود که آب مستقیماً مغناطیس را لغو می کند.
• واقعیت: آب قطر است (ضعیف توسط میدان های مغناطیسی دفع می شود), اما این اثر ناچیز است. نیکل خالص در زیر آب فرومغناطیسی باقی مانده است.
  ماده خوردگی چیست - مقاومت نیکل در برابر اکسیداسیون تضمین می کند که مغناطیس به مراتب طولانی تر از آهن محافظت نشده است.
• دلالت: آلیاژهای نیکل در سنسورهای زیر آب بسیار مهم هستند, ناوبری دریایی, و الکترونیک زیرزمینی که در آن مغناطیس پایدار مورد نیاز است.

8. داده های مرجع سریع: نیکل و آلیاژهای مشترک

9. پایان

نیکل مغناطیسی است - اما همیشه به همان روش نیست. نیکل خالص در دمای اتاق فرومغناطیسی است, هنوز درجه حرارت, ناخالصی, و آلیاژ می تواند افزایش یابد, ضعیف کردن, یا مغناطیس آن را سرکوب کنید.

این انعطاف پذیری باعث می شود نیکل به یک فوق ستاره در صنعت: از نفوذپذیری مغناطیسی نرم در ترانسفورماتورها تا غیر مغناطیسی در هوافضا, رفتار مغناطیسی آن متناسب با کار مهندسی شده است.

درک اینکه چه زمانی-و چرا-نیکل مغناطیسی برای طراحی موادی است که در شرایط دنیای واقعی انجام می شود.

متداول

نیکل خالص یک آهنربای دائمی است?

بوها: نه - نیکل پور یک است مواد مغناطیسی نرم, به این معنی که در یک میدان خارجی به راحتی مغناطیس می شود اما هنگام برداشتن میدان بیشترین مغناطیس را از دست می دهد (عود کم).

برای ایجاد آهنرباهای دائمی, نیکل با کبالت آلیاژ می شود, الومینیوم, و آهن (به عنوان مثال, alnico allays), که از خود یادآوری می کند.

آیا نیکل می تواند عوام باشد?

بوها: بله - نیکل را بالاتر از دمای کوری خود قرار می دهد (358درجه سانتیگراد) یا قرار گرفتن در آن در یک میدان مغناطیسی معکوس ، آن را دفع می کند.

برای برنامه های دقیق (به عنوان مثال, سنسورهای مغناطیسی), عوامفریناسیون از طریق "degaussing" انجام می شود (استفاده از یک میدان مغناطیسی متناوب کاهش).

نیکل مغناطیسی در فضا است (خلاء یا جاذبه صفر)?

بوها: بله - مگنتیسم خاصیت مطالب است, گرانش یا جو نیست.

نیکل فرومغناطیس خود را در فضا حفظ می کند, هرچند درجه حرارت شدید (به عنوان مثال, شرایط کرایوژنیک یا نزدیک خورشید) ممکن است رفتار خود را تغییر دهد (به عنوان مثال, دمای کرایوژنیک ترتیب مغناطیسی را افزایش می دهد, در حالی که دمای بالا بالاتر از TC آن را پارامغناطیسی می کند).

چرا از نیکل در رسانه های ضبط مغناطیسی استفاده می شود?

بوها: آلیاژهای نیکل آهن دارای نفوذپذیری مغناطیسی بالایی و فشار کم هستند, آنها را برای خواندن/نوشتن سر در HDDS ایده آل می کند.

آنها می توانند سیگنال های مغناطیسی ریز را از دیسک تشخیص دهند و سیگنال های دقیقی را برای نوشتن داده ایجاد کنند-برای ذخیره سازی با چگالی بالا بحرانی.

آیا آلرژی نیکل مربوط به مغناطیس آن است?

بوها: نه - آلرژی نیکل توسط یون های نیکل ایجاد می شود (خوردن) شستشو از فلز و ایجاد پاسخ ایمنی, نه با خواص مغناطیسی آن.

آلیاژهای نیکل مغناطیسی و غیر مغناطیسی (به عنوان مثال, ناله 625) در صورت آزاد شدن یون های نیکل ، هر دو باعث آلرژی می شوند.