Ir alumīnija magnētisks?

1. Ievads

Alumīnijs ir viens no visplašāk izmantotajiem metāliem mūsdienu rūpniecībā, Tomēr joprojām pastāv izplatīts jautājums: Ir alumīnija magnētisks?

Intuitīvā atbilde daudziem ir jā - pēc visiem, Bieži tiek pieņemts, ka metāliem ir magnētiskās īpašības. Tomēr, Zinātniskā realitāte ir niansētāka.

Kamēr alumīnijs ir metālisks un lielisks diriģents, tas dara nevis uzvedies kā feromagnētiski materiāli piemēram, dzelzs vai niķelis.

Izpratne par alumīnija magnētisko izturēšanos ir būtiska ietekme uz inženierzinātnēm, ražošana, medicīna, un elektronika.

No MRI drošiem materiāliem līdz virpuļojošai pašreizējai šķirošanai pārstrādes objektos, Zināt, kā alumīnijs mijiedarbojas ar magnētiskajiem laukiem, ir kritisks.

Šajā rakstā tiek pētītas alumīnija magnētiskās īpašības no atoma, fizisks, un pielietotā perspektīva.

Mēs pārbaudīsim tā pamatīpašības, Uzvedība zem magnētiskajiem laukiem, un kā dažādas rūpniecības lietojumprogrammas paļaujas uz tā nemagnētisko raksturu.

2. Magnētisma pamati

Izpratne par to, vai materiāls ir magnētisks magnētisms atomu līmenī.

Magnētisms cēlies no elektronu izturēšanās - viņu griezties, Orbitālā kustība, un veids, kā šie mikroskopiskie magnētiskie momenti izlīdzinās vai atceļ materiālā.

Magnētiskās uzvedības veidi

Materiālu magnētisms parasti ietilpst vairākās kategorijās:

• Diamagnētisms: Uzrāda vāju atgrūšanos no magnētiskajiem laukiem. Visiem materiāliem ir zināma diamagnētisma pakāpe, Bet tas bieži ir niecīgs.
• Paramagnētisms: Parāda vāju pievilcību ārējiem magnētiskajiem laukiem, bet pēc lauka noņemšanas nesaglabā magnētismu.
• Feromagnētisms: Uzrāda spēcīgu pievilcību un pastāvīgu magnetizāciju. Atrasts tādos metālos kā dzelzs, kobalts, un niķelis.
• Antiferromagnētisms & Ferimagnētisms: Iesaistiet sarežģītus atomu magnētisko momentu iekšējos izkārtojumus, kas daļēji atceļ viens otru.

Magnētisma atomu izcelsme

Magnētisms rodas no diviem galvenajiem avotiem atomu līmenī:

• Elektronu griešanās: Elektroniem ir magnētisks moments griešanās dēļ; Nepāra elektroni ievērojami veicina magnētisko izturēšanos.
• Orbitālā kustība: Ceļa elektroni, kas ņem apkārt kodolu, var arī izveidot magnētisko lauku.

Kristāla struktūra un magnētiskā izlīdzināšana

Atomu izkārtojums cietā krāsā, pazīstams kā kristāla struktūra, ietekmē arī magnētismu:

• Uz ķermeni orientēts kubiskais (BCC) un Sešstūra cieši iesaiņots (HCP) Struktūras bieži atbalsta spēcīgāku magnētisko mijiedarbību.
• Uz seju orientēts kubiskais (FCC) struktūras, Tāpat kā alumīnijā, parasti neatbalsta magnētiskā domēna izlīdzināšanu, izraisot vāju magnētisko reakciju.

3. Alumīnija atomu un kristalogrāfiskās īpašības

Alumīnijam ir elektronu konfigurācija [Tas ir] 3S² 3P¹, Nozīmē, ka tas satur Tikai viens nepāra elektrons.

Tomēr, Šis nepāra elektrons nav viegli izlīdzināts normālos magnētiskos laukos, ņemot vērā alumīnija vispārējās sasaistes īpašības.

Strukturāli, alumīnijs izkristalizējas a uz seju orientēts kubiskais (FCC) režģis, kas neatbalsta magnētisko domēnu izlīdzināšanu.

Rezultātā, alumīnijs ir paramagnētisks, izstādot tikai a Ļoti vāja atrakcija uz magnētiskajiem laukiem.

Līdz magnētiskā jutība alumīnija ir aptuveni +2.2 × 10⁻⁵ Emu/mol, neliela, bet pozitīva vērtība, kas apstiprina tā paramagnētisko raksturu.

4. Ir alumīnija magnētisks?

Praktiski, ne, alumīnijs nav magnētisks parastā nozīmē. To nevar magnetizēt, Tas arī neliek pie magnēta kā melnie metāli.

Tomēr, kad tas ir pakļauts a spēcīgs magnētiskais lauks, alumīnijam var būt a Izmērāma, bet vāja reakcija.

Tas ir saistīts ar tā paramagnētismu un ģenerēšanu Eddy straumes Ievietojot mainīgi magnētiskie lauki.

Statiskajā magnētiskajā vidē, alumīnijs izrāda nenozīmīgu izturēšanos. Bet dinamiskās elektromagnētiskās sistēmās, Tās mijiedarbība kļūst interesantāka.

5. Uzvedība mainīgos magnētiskajos laukos

Kamēr alumīnijs parastā nozīmē nav magnētisks, tā mijiedarbība ar mainīgi magnētiskie lauki ir gan nozīmīgs, gan tehniski svarīgs.

Inženieri un zinātnieki bieži novēro neparedzētu alumīnija efektu augstfrekvences vai dinamiskā elektromagnētiskajā vidē,

nav saistīts ar raksturīgo magnētismu, bet dēļ elektromagnētiskās indukcijas parādības piemēram Eddy straumes un ādas efekts.

Eddy Current Fenomena alumīnijā

Kad alumīnijs ir pakļauts a Mainot magnētisko lauku, piemēram, tie, kas atrodami mainīga strāva (Maiņstrāva) sistēmas, Eddy straumes tiek ierosināti materiālā.

Tās ir cirkulējošās elektriskās strāvas cilpas, kas veidojas, reaģējot uz Faraday elektromagnētiskās indukcijas likumu.

Jo alumīnijs ir Lielisks elektrības vadītājs, Šīs virpuļu straumes var būt būtiskas.

• Šīs izraisītās straumes rada pretstatītie magnētiskie lauki, saskaņā ar Lenca likumu.
• Pretinieku lauki Pretoties kustībai vai ārējā magnētiskā lauka variācija, Ražošanas efekti, piemēram, magnētiskā slāpēšana vai vilkt.
• Šī pretestība bieži tiek sajaukta ar magnētismu, bet tā ir tikai elektromagnētiska reakcija uz kustību vai lauka maiņu.

Galvenais piemērs: Ja caur alumīnija cauruli nomet stiprs magnēts, tas nokrīt daudz lēnāk nekā caur gaisu.

Tas notiek nevis tāpēc, ka alumīnijs ir magnētisks, Bet sakarā ar virpuļojošo bremzēšanu.

Elektromagnētiskā bremzēšana un levitācija

Alumīnija uzvedība mainīgajos magnētiskajos laukos tiek izmantota vairākos Inženierzinātnes un rūpniecības pielietojumi, īpaši iekšā:

• Elektromagnētiskās bremzēšanas sistēmas: Izmanto ātrgaitas vilcienos un kalniņos, alumīnija diski vai plāksnes iziet cauri magnētiskajiem laukiem, lai radītu pretestību, ļaujot vienmērīgi, bezkontakta bremzēšana.
• Induktīvā levitācija: Alumīnija vadītājus var novadīt, izmantojot svārstīgus magnētiskos laukus.
  Tas ir princips aiz dažiem maglevs (magnētiskā levitācija) transporta tehnoloģijas.
• Nesagraujoša pārbaude (Ndt): Ediju strāvas pārbaudes metodes plaši izmanto alumīnija komponentiem, lai noteiktu plaisas, korozija, un materiālās neatbilstības.

Šīs parādības nav pierādījums alumīnija magnētismam, bet no tā augsta elektriskā vadītspēja un mijiedarbība ar Laika mainīgie lauki.

Ādas efekts

Līdz ādas efekts attiecas uz maiņstrāvas strāvas tendenci koncentrēties netālu no vadītāja virsmas. Tādos materiālos kā alumīnijs, Tas kļūst izteikts augstākās frekvencēs.

Dziļums, kurā strāva var iekļūt, sauca ādas dziļums— Ir apgriezti proporcionāls frekvences un magnētiskās caurlaidības kvadrātsaknei.

• Par alumīniju plkst 60 Hz, Ādas dziļums ir apkārt 8.5 mm.
• Augstākās frekvencēs (Piem., MHz), Ādas dziļums samazinās līdz mikroniem, Padarot virsmas slāni par dominējošo strāvas ceļu.
• Tas ietekmē mikroviļņu ekranēšana, RF apkure, un Elektromagnētiska iejaukšanās (EMI) vadība.

6. Sakausējumi un piemaisījumi alumīnijā: To ietekme uz magnētismu

Kamēr tīrs alumīnijs ir paramagnētisks ar ļoti vāju magnētisko jutību, tā magnētiskā uzvedība var nedaudz atšķirties atkarībā no leģējošie elementi, piemaisījumi, un mehāniskā apstrāde.

Inženieriem, metalurģisti, un dizaineri, Izpratne par šiem smalkumiem ir ļoti svarīga, izvēloties alumīnija pakāpes lietojumiem, kas saistīti ar magnētiskiem laukiem vai elektromagnētiskiem traucējumiem.

Lielākā daļa alumīnija sakausējumu nav magnētiski

Lielākā daļa komerciālo alumīnija sakausējumu, ieskaitot parasti izmantotos 6000 un 7000 sērija (Piem., 6061, 7075)—Remain nemagnētisks normālos apstākļos.

Tas notiek tāpēc, ka viņu galvenie leģējošie elementi, piemēram magnijs (Mg), silīcijs (Un), cinks (Zn), un vara (Cu), Neizlaižiet nozīmīgas magnētiskās īpašības.

Sakausējumu sērija	Galvenie leģējošie elementi	Magnētiskā uzvedība
1xxx	Tīrs alumīnijs (>99%)	Nemagnētisks
2xxx	Varš	Nemagnētisks
5xxx	Magnijs	Nemagnētisks
6xxx	Mg + Un	Nemagnētisks
7xxx	Cinks	Nemagnētisks

Galvenais ieskats: Galvenā kristāla struktūra (FCC) un nepatiesu elektronu trūkums alumīnijā un tā galvenie leģējošie elementi nodrošina, ka šie materiāli nav feromagnētiskas vai spēcīgas paramagnētiskās uzvedības.

Piemaisījumi, kas var radīt magnētisko efektu

Noteiktos gadījumos, izsekošanas piemaisījumi vai piesārņotājs—Patikāli dzelzs (Fe), niķelis (Iekšā), vai kobalts (Līdzdalība)—Vai var izraisīt lokalizētu vai vāju magnētisko pievilcību:

• Dzelzs, parasti ir kā atlikušais piemaisījums pārstrādātā vai zemākas tīrības alumīnijā, var veidot starpmetāliskus savienojumus, piemēram, al₃fe, kas var izstādīt lokalizēta magnētiskā reakcija.
• Niķelis un kobalts, Lai arī parastos alumīnija sakausējumos reti, ir stipri feromagnētiski un var ietekmēt materiāla vispārējo magnētisko mijiedarbību, ja tāda ir pietiekamā daudzumā.

Tomēr, Šie efekti parasti ir nelieli un nav nosakāms bez jutīgas instrumentācijas piemēram, vibrējoši parauga magnetometri (VSM).

Mehāniska deformācija un aukstums

Mehāniskie procesi, piemēram, aukstā ripošana, saliekšana, vai zīmēšana var ieviest dislokācijas, celma sacietēšana, un anizotropija alumīnija mikrostruktūrās.

Tomēr, Šīs izmaiņas to dara nemainīt magnētisko klasifikāciju no materiāla:

• Alumīnijs paliek nemagnētisks Pēc mehāniskas deformācijas.
• Aukstais darbs var palielināties elektriskā pretestība, Bet tas neizraisa pastāvīgu vai atlikušo magnētismu.

Metināt, Pārklājumi, un virsmas piesārņojums

Daži lietotāji pēc izgatavošanas ziņo par magnētisko izturēšanos alumīnija detaļās.

Vairumā šo gadījumu, Cēlonis ir ārējs piesārņojums nevis izmaiņas alumīnija sakausējumā:

• Metinātais izšļakstīšana, īpaši no nerūsējošā tērauda vai oglekļa tērauda elektrodiem, var ieviest feromagnētiskās daļiņas.
• Tērauda instrumentu veidošana vai armatūras kontakts var atstāt uz virsmas magnētisko materiālu daudzumu.
• Pārklājumi vai skaitļi (Piem., niķeļa vai dzelzs bāzes slāņi) var izraisīt magnētismu virsmas testos, Kamēr bāzes alumīnijs paliek nemagnētisks.

Regulāra tīrīšana un nesagraujoša pārbaude (Ndt) var palīdzēt atšķirt īstas materiāla īpašības un virsmas piesārņojumu.

7. Rūpnieciskā un praktiskā ietekme

Alumīnija nemagnētiskais raksturs to padara Ļoti piemērots jutīgai videi:

• Medicīniskās ierīces: Alumīnijs tiek plaši izmantots ar MRI saderīgiem instrumentiem un implantiem, jo ​​tā nav iejaukšanās ar attēlveidošanu.
• Elektronika: Viedtālruņos, klēpjdatori, un korpusi, Alumīnijs nodrošina izturību, neietekmējot magnetometrus vai kompasus.
• Aviācijas un autobūves: Viegli un nemagnētiski alumīnija komponenti novērš elektromagnētiskos traucējumus avionikā un transportlīdzekļa sensoros.
• Pārstrāde: Eddy pašreizējie šķirotāji atsevišķi alumīnijs no melnajiem materiāliem, pamatojoties uz vadītspējīgu reakciju, Nav magnētiskā pievilcība.

8. Alumīnijs vs. Magnētiskie materiāli

Izpratne par to, kā alumīnijs salīdzina ar patiesi magnētiskiem materiāliem, ir būtiska tādās jomās kā materiālu inženierija, produktu dizains, un elektromagnētiskā savietojamība (EMC) plānošana.

9. Vai alumīnijs var kļūt magnētisks?

Dabiski, alumīnijs nevar kļūt par feromagnētisku. Tomēr:

• Virsmas pārklājumi (Piem., dzelzs oksīds vai niķelis) var pievienot magnētisko reakciju alumīnija virsmām.
• Kompozītmateriāli: Alumīnijs, kas sajaukts ar magnētiskie pulveri var uzrādīt magnētisko izturēšanos galīgajā struktūrā.
• Kriogēnā vide: Pat gandrīz nullē temperatūrā, alumīnijs paliek nemagnētisks.

10. Bieži sastopami nepareizie priekšstati

• "Alumīnijs ir magnētisks tuvu spēcīgiem magnētiem": Tas ir saistīts ar Eddy straumes, nevis faktiskā magnētiskā pievilcība.
• "Visi metāli ir magnētiski": Patiesībā, Tikai daži metāli (dzelzs, kobalts, niķelis) ir patiesi feromagnētiski.
• Alumīnijs vs. Nerūsējošais tērauds: Dažas nerūsējošā tērauda pakāpes (piemēram, 304) nav magnētiski; citi (piemēram 430) ir magnētiski.

Izpratne par šīm atšķirībām ir būtiska Materiālu izvēle un produkta dizains.

11. Secinājums

Alumīnijs ir a paramagnētiskais metāls, kas nozīmē, ka tas eksponāti vājš, nereetenciāla magnētiskā uzvedība. Tas nepieturas pie magnētiem, To nevar arī magnetizēt kā melnos metālus.

Tomēr, tā mijiedarbība ar mainīgajiem magnētiskajiem laukiem, Caur virpuļplāniem, padara to par būtisku materiālu elektromagnētiskās sistēmas, MRI vide, un nemagnētiskas struktūras.

Inženieriem, dizaineri, un ražotāji, Alumīnija atpazīšana nemagnētisks tomēr elektriski atsaucīgs Daba ļauj gudrāk, drošāks, un efektīvāka materiālu izmantošana neskaitāmās modernās lietojumprogrammās.

 

FAQ

Ir alumīnijs, ko piesaista magnēts?

Alumīniju nepievilina magnēts tādā veidā, kā ir tādi feromagnētiski materiāli kā dzelzs.

Tas ir paramagnētisks, Nozīmē, ka tam ir ļoti vāja un pozitīva magnētiskā jutība, Bet šis efekts ir pārāk mazs, lai normālos apstākļos izraisītu pamanāmu pievilcību.

Vai alumīnijs var pastāvīgi magnetizēt?

Ne. Alumīnijam trūkst elektroniskās struktūras, kas nepieciešama feromagnētisms, Tātad tas nevar saglabāt pastāvīgu magnētismu, piemēram, dzelzs vai niķeli.

Vai alumīnija sakausējumi magnētiski uzvedas atšķirīgi nekā tīrs alumīnijs?

Lielākā daļa alumīnija sakausējumu paliek nemagnētiski vai tikai vāji paramagnētiski.

Tomēr, Ja sakausējumā ir magnētiski piemaisījumi, piemēram, dzelzs vai niķelis, tas var parādīt nelielas magnētiskas atbildes.

Ir alumīnija magnētiskā uzvedība, ko ietekmē temperatūra?

Alumīnija paramagnētiskā izturēšanās ir diezgan stabila ar temperatūras izmaiņām, un tai nav parādības, piemēram, Curie temperatūra, kas novērota feromagnētiskos materiālos.