Er Nikkel Magnetic? | Eignir, Segulmagn, Nikkel málmblöndur

Nikkel er einn mikilvægasti verkfræðilegi málmur heims, metið fyrir einstaka tæringarþol, háhitaárangur, framúrskarandi blöndunareiginleikar, og einstaka segulmagnaðir eiginleikar.

Það gegnir mikilvægu hlutverki í atvinnugreinum, allt frá flug- og rafeindatækni til efnavinnslu, endurnýjanlega orku, Lækningatæki, og nákvæmni framleiðsla.

Hvort sem það er notað í ryðfríu stáli, ofurblendi, endurhlaðanlegar rafhlöður, eða rafsegulhluta, Nikkel stuðlar að eiginleikum sem fáir aðrir málmar geta veitt samtímis.

Meðal þessara eigna, segulmagn vekur oft spurningar. Margir vita að járn er segulmagnaðir, á meðan kopar og ál eru það ekki.

Nikkel gegnir áhugaverðri stöðu vegna þess að það er ein af þeim einu þrír frumefnismálmar sem eru náttúrulega járnsegulmagnaðir við stofuhita, ásamt járni (Fe) og kóbalt (CO).

Samt, segulhegðun nikkels er flóknari en einfalt já eða nei.

Þættir eins og álsamsetning, hitastig, kristal uppbyggingu, Kalt að vinna, og hitameðferð getur verulega breytt segulmagninu.

1. Er Nikkel Magnetic?

Hvað er nikkel?

Nikkel (efnatákn In, Atómnúmer 28) er silfurhvítur umbreytingarmálmur sem tilheyrir Group 10 af lotukerfinu.

Það býr yfir frábærri samsetningu tæringarþols, hörku, sveigjanleika, rafleiðni, og hitauppstreymi, sem gerir það að einum mest notaða málmblöndunni í nútíma iðnaði.

Stutt svar: Já—Nikkel er náttúrulega járnsegulmagnaðir

Einfalda svarið er já.

Hreint nikkel er náttúrulega ferromagnetic Við stofuhita. Þetta þýðir að það getur:

• Vertu mjög laðaður af varanlegum seglum.
• Verða segulmagnaðir undir ytra segulsviði.
• Haltu eftir hluta af segulmagninu eftir að ytra sviðið er fjarlægt.
• Mynda segulsvið sem stilla saman til að framleiða varanlegt segulsvið.

Nikkel tilheyrir einstökum hópi frummálma sem sýna sjálfsprottinn ferromagnetism við venjulegar aðstæður.

Yfir Curie hitastigi, nikkel hegðar sér ekki lengur sem járnsegulefni og verður þess í stað parasegulmagnaðir, bregðast aðeins veikt við ytri segulsviðum.

Af hverju nikkel er segulmagnaðir

Segulmagn nikkels stafar af því rafræn uppbygging-sérstaklega, fyrirkomulag rafeinda í 3d sporbraut sinni. Nikkel hefur rafeindastillingu [Ar] 3d⁸ 4s².

Þetta þýðir að það eru til tvær óparaðar rafeindir í 3d undirskelinni. Þessar óparaðu rafeindir búa til nettó segulmagnaðir augnablik.

Þegar segulmagnaðir atómar samræmast í sömu átt, efnið verður ferromagnetic.

Þessi jöfnun er knúin áfram af skammtafræðilegu fyrirbæri sem kallast skipti samskipti, sem stuðlar að samhliða röðun rafeindasnúninga í ákveðnum málmum.

Í nikkel, skiptivíxlverkunin er nógu sterk til að viðhalda samhliða snúningsstillingu upp að 358°C (Curie hitastigið).

2. Að skilja segulmagn í málmum

Hvað er segulmagn?

Segulmagn er eðlisfræðilegt fyrirbæri sem stafar af hreyfingu og snúningi rafeinda innan frumeinda.

Sérhver rafeind myndar örlítið segulsvið, en hvort efni sýnir merkjanlega segulmagn fer eftir því hvernig þessi atómsegulmagnaðir augnablik hafa samskipti saman.

Í flestum málmum, einstök segulmagnaðir augnablik parast annaðhvort við gagnstæða snúninga eða haldast af handahófi, sem leiðir til lítillar eða engrar sjáanlegrar segulmagns.

Í ferromagnetic efni eins og nikkel, Samt, Aðliggjandi atómstundir hafa nægilega sterk samskipti til að samræmast sjálfkrafa yfir stór svæði, framleiðir mælanlegt segulsvið.

Helstu tegundir segulefna

3. Af hverju nikkel er járnsegulmagnaðir

Járnsegulmagn nikkels á rætur í meginreglum skammtafræðinnar frekar en klassískri rafsegulfræði.

Ólíkt venjulegum málmum, nikkel býr yfir rafeindabyggingu sem gerir milljónum atóm segulmagnaðir augnablikum kleift að vinna saman og samræma sig yfir stór svæði, að búa til sterkt stórsæja segulsvið.

Þetta fyrirbæri stafar af samsettum áhrifum rafeindasnúnings, skipti samskipti, kristal uppbyggingu, og segulsviðsmyndun.

Atómuppbygging nikkels

Nikkelatóm innihalda 28 rafeindir raðað í kringum kjarna af 28 róteindir.

Þó að innri rafeindirnar séu þétt bundnar og stuðla lítið að segulhegðun, hið ytra 3d rafeindir gegna afgerandi hlutverki.

Nikkel kristallast í a andlitsmiðuð rúmmetra (FCC) grind við stofuhita.

Þetta mjög skipaða atómaskipan setur nálæg nikkelatóm nógu nálægt til að rafeindabylgjuvirkni þeirra skarast, sem gerir sterka segulvirka víxlverkun um allan kristalinn.

Rafeindastilling

Jarðástand rafeindastillingar nikkels er:

[Ar] 3d⁸ 4s²

Hið að hluta til fyllt 3d sporbraut inniheldur óparaðar rafeindir, hver með innra segulmagnaðir augnabliki vegna rafeindasnúnings.

Ef þessar stundir héldust af handahófi, efnið myndi aðeins sýna veika paramagnetism. Í staðinn, Atómbygging nikkels gerir nálægum snúningum kleift að hafa samvinnu.

Skiptasamskipti

Lykilbúnaðurinn sem ber ábyrgð á járnsegulmagni nikkels er skipti samskipti, skammtafræðileg áhrif sem stafa af skörun nálægra rafeindabylgjuaðgerða.

Þessi víxlverkun stuðlar að samhliða röðun aðliggjandi rafeindasnúninga vegna þess að hún lágmarkar heildarorku kristalsins. Fyrir vikið:

• Aðliggjandi atóm segulmagnaðir augnablik samræmast sjálfkrafa.
• Stór svæði samræmdra segulmagnaðra atóma myndast.
• Segulvæðing er til jafnvel án ytra segulsviðs.

Þó að segulmagnaðir augnablik einstaks nikkelatóms sé minna en járns, Sameining milljarða atóma veldur verulegri segulhegðun.

Segullén

Til að draga úr heildar segulorku, nikkel hegðar sér ekki sem einn risastór segull.

Í staðinn, það er skipt í fjölmargar smásjár segullén, hvert um sig inniheldur milljónir atóma með segulmagnaðir augnablik þeirra í sömu átt.

Í óseguluðu nikkelstykki:

• Lén vísa í mismunandi áttir.
• Segulsvið þeirra hætta að mestu leyti hvert annað.
• Efnið sýnir litla ytri segulmagn.

Þegar það verður fyrir ytra segulsviði:

• Hagstætt stillt lén stækka.
• Lénsveggir hreyfast.
• Atómsnúningur snýst í átt að beitt sviði.
• Heildarsegulmyndun eykst hratt.

Ef segulsviðið er nægilega sterkt, flest lén verða samræmd, og nikkelið nálgast segulmagnaðir mettun.

Curie hitastig

Nikkel helst járnsegulmagnaðir aðeins fyrir neðan það Curie hitastig, um það bil 358° C. (631 K).

Undir þessu hitastigi:

• Skiptasamskipti ráða ríkjum.
• Segullén haldast stöðug.
• Sterk ferromagnetic hegðun er viðhaldið.

Yfir Curie hitastigi:

• Varmaorka truflar snúningsstillingu.
• Segullén hrynja.
• Nikkel breytist í a parasegulmagnaðir Efni, sýnir aðeins veika segulmagn á ytra sviði.

Þessi hitaháða umskipti eru mikilvæg íhugun í forritum sem fela í sér hækkað vinnuhitastig, eins og rafmótorar, rafala, skynjara, og háhita iðnaðarbúnaði.

4. Þættir sem hafa áhrif á segulmagn nikkels

Þó að hreint nikkel sé í eðli sínu ferromagnetic, Segulhegðun þess er ekki stöðug við allar þjónustuaðstæður.

Styrkur segulvæðingar, Segul gegndræpi, og segulmagnaðir stöðugleiki getur breyst verulega eftir hitastigi, álsamsetning, vélræn vinnsla, Smásjá, og rekstrarumhverfið í kring.

Hitastig

Hitastig er áhrifamesti þátturinn sem hefur áhrif á segulmagn nikkels.

Þegar hitastig hækkar, varmaorka veldur meiri atóm titringi, trufla smám saman röðun segulsviða sem bera ábyrgð á ferromagnetism.

Fyrir neðan þess Curie hitastig (um það bil 358°C / 676° f), nikkel viðheldur sjálfsprottinni segulmyndun og sýnir sterka ferromagnetic hegðun.

Þegar hitastigið nálgast Curie punktinn, segulgegndræpi og mettunarsegulmyndun minnka hratt.

Þegar farið er yfir Curie hitastigið, segullénin hrynja, og nikkel gengst undir fasaskipti úr járnsegulfræðilegu efni í parasegulrænt efni.

Í þessu ástandi, það bregst aðeins veikt við ytra segulsviði og heldur ekki lengur varanlegu segulmagni.

Mikilvægt, þessi umbreyting er afturkræf. Ef efnið er kælt undir Curie hitastigi án þess að gangast undir verulegar örbyggingarbreytingar eða oxun, járnsegulfræðilegir eiginleikar þess eru endurheimtir.

Samsetning ál

Viðbót á málmblöndur hefur mikil áhrif á segulmagnaðir eiginleikar nikkels vegna þess að það breytir rafeindabyggingu og kristalgrindunum..

Þættir eins og Járn Og Kóbalt auka almennt ferromagnetic hegðun með því að auka segulskipti samskipti, en álfelgur viðbætur þar á meðal króm, Molybden, Mangan, kopar, og sílikon hafa tilhneigingu til að draga úr segulgegndræpi með því að koma á stöðugleika í fasa sem ekki eru segulmagnaðir eða trufla röðun segulléns.

Þar af leiðandi, nikkel málmblöndur sýna breitt svið segulvirkni.

Nikkel-járn málmblöndur eins og Permalloy eru sérstaklega hönnuð til að ná afar mikilli segulgegndræpi fyrir spenni, segulhlíf, og nákvæmnisskynjara.

Aftur á móti, afkastamikil tæringarþolin málmblöndur eins og Inconel, Hastelloy, og margar einkunnir af Monel eru hönnuð fyrst og fremst fyrir vélræna og efnafræðilega frammistöðu, sem leiðir til veikra eða næstum ósegulrænna eiginleika.

Þetta skýrir hvers vegna ekki er hægt að nota nikkelinnihald eitt og sér til að spá fyrir um hvort málmblöndur verði mjög segulmagnaðir.

Kristalbygging og örbygging

Segulhegðun nikkels er nátengd andlitsmiðju tenings þess (FCC) kristalbygging og uppröðun segulsviða innan efnisins.

Kornastærð, kornstefnu, Dreifing áfanga, útfellingar, og kristalgallar hafa allir áhrif á hreyfingu segulveldaveggja.

Efni með einsleit korn og lágt innra álag sýna almennt stöðugri og fyrirsjáanlegri segulvirkni, en ólíkar örbyggingar geta dregið úr segulgegndræpi og aukið segulmagnaðir hysteresis.

Við framleiðsluferla eins og steypu, smíða, veltingur, eða hitameðferð, breytingar á formgerð korna og afgangsspennu breyta lénsskipulaginu, sem leiðir til mælanlegra breytinga á segulmagnaðir eiginleikar, jafnvel þegar efnasamsetningin helst óbreytt.

Kaldavinna og afgangsstreita

Vélræn aflögun kynnt við kaldvalsingu, Teikning, beygja, stimplun, eða vinnsla breytir innri streitudreifingu nikkels og hefur áhrif á hreyfanleika segulsviða.

Köld vinna eykur þéttleika liðfæringa og eftirstöðvar streitu, skapa hindranir sem hindra hreyfingu lénsveggs.

Fyrir vikið, þvingun eykst oft á meðan segulgegndræpi minnkar. Í nákvæmni rafsegulhluta, of mikil köld aflögun getur dregið úr segulvirkni og aukið hysteresis tap.

Af þessum sökum, margar afkastamiklar segulmagnaðir nikkel málmblöndur gangast undir streitulosandi glæðingu eftir framleiðslu til að endurheimta bestu segulmagnaðir eiginleikar og bæta víddarstöðugleika.

Hitameðferð

Hitameðferð hefur áhrif á segulmagn nikkels með því að létta afgangsálagi, hreinsun kornbyggingar, og breyta fasadreifingu.

Rétt glæðing stuðlar að kornavexti og dregur úr innri grindarbjögun, leyfa segullénum að hreyfast frjálsari.

Þetta eykur almennt segulgegndræpi og dregur úr þvingunarkrafti.

Hins vegar, óviðeigandi hitameðhöndlunarhitastig eða kælihraði getur leitt til óæskilegra fasa eða afgangsálags sem hafa skaðleg áhrif á segulvirkni.

Fyrir nikkel-járn mjúka segulmagnaðir málmblöndur, nákvæmlega stýrðar glæðingarlotur eru mikilvægt framleiðsluskref, oft ákvarða endanlega segulmagnaðir eiginleikar meira en álsamsetningin sjálf.

Notað segulsvið

Nikkel sýnir ekki fastan segulstyrk við allar notkunaraðstæður. Viðbrögð þess veltur bæði á styrk og sögu beitt segulsviðs.

Þegar ytra segulsvið er kynnt, segulsvið snúast smám saman og samræmast stefnu sviðinu, sem veldur því að segulmagn eykst þar til mettun er náð.

Handan mettunarmarksins, frekari aukning á sviði styrkleika framkallar litla viðbótarsegulvæðingu.

Eftir að ytri reiturinn er fjarlægður, hluti af segulmagninu er eftir sem varanleiki, á meðan sviðið sem þarf til að útrýma þessari afgangssegulmyndun er þekkt sem þvingunarafl.

Þessir eiginleikar eru táknaðir með hysteresis lykkju efnisins og eru sérstaklega mikilvægir við hönnun mótora, stýrimenn, segulskynjara, og rafsegultæki.

Rekstrarumhverfi

Þjónustuumhverfið getur óbeint haft áhrif á langtíma segulvirkni nikkels.

Þó að nikkel hafi framúrskarandi tæringarþol, langvarandi útsetning fyrir hækkuðu hitastigi, hringlaga hitauppstreymi, oxandi andrúmsloft, vélrænn titringur, eða árásargjarn efni geta smám saman breytt yfirborðsástandi og örbyggingu.

Þessar breytingar geta haft áhrif á segulmagnaðir stöðugleika yfir lengri þjónustutímabil, sérstaklega í krefjandi iðnaðarumhverfi.

Í forritum eins og flugkerfi, sjóbúnaðar, efnavinnslustöðvar, og orkuvinnsluaðstöðu, verkfræðingar meta bæði segulmagnaðir eiginleikar og umhverfisþol samtímis til að tryggja áreiðanlega langtíma frammistöðu.

Framleiðsluferli

Mismunandi framleiðsluaðferðir framleiða mismunandi örbyggingar og afgangsálagsástand, sem leiðir til breytileika í segulhegðun.

Steyptir nikkelhlutar innihalda almennt stærri korn og hægari storknunarmannvirki, en falsaðar vörur sýna fágað korn og bætta vélræna eiginleika.

Kalt unnin efni búa yfir meiri afgangsspennu, en glóðar vörur sýna venjulega meiri segulgegndræpi og lægri þvingun.

Yfirborðsfrágangur s.s vinnsla, Mala, Fægja, og rafhúðun hefur yfirleitt lítil bein áhrif á magn segulmagn, en þeir geta haft áhrif á segulvirkni í tækjum með mikilli nákvæmni þar sem þörf er á mjög þéttum segulmagnaðir vikmörkum.

5. Eru nikkelblendir segulmagnaðir?

Einn algengasti misskilningurinn er að sérhver álfelgur sem inniheldur nikkel verður að vera segulmagnaðir.

Í raun og veru, Nikkelinnihald eitt og sér ræður ekki segulhegðun.

Í staðinn, segulmagn veltur fyrst og fremst á:

• Kristall uppbygging
• Samsetning álfelgur
• Fasa dreifing
• Hitameðferð
• Köld vinna
• Þjónustuhitastig

Þar sem málmblöndur breyta frumeindaskipan nikkels, þeir breyta einnig skiptisamskiptum sem bera ábyrgð á ferromagnetism.

Segulfræðileg hegðun algengra nikkelblendis

6. Hvernig á að prófa hvort nikkel sé segulmagnaðir

Mikilvægt er að ákvarða hvort nikkel eða nikkel sem inniheldur nikkel sé segulmagnaðir við auðkenningu efnis, gæðaeftirlit, álfelgur sannprófun, og viðhald á búnaði.

Þó að einfaldur segull geti gefið skjóta vísbendingu, verkfræðiforrit krefjast oft magnmælinga á segulgegndræpi, segulflæðisþéttleiki, eða mettunarsegulmyndun.

7. Iðnaðarnotkun segulnikkels

Einstök samsetning nikkels af ferromagnetism, tæringarþol, vélrænni endingu, og hitauppstreymi gerir það ómissandi í fjölmörgum iðngreinum.

Ólíkt járni, Nikkel viðheldur framúrskarandi tæringarþol en sýnir enn gagnlega segulmagnaðir hegðun, sem gerir það tilvalið fyrir erfiðar aðstæður þar sem hefðbundin segulmagnaðir efni myndu hraka hratt.

Rafmótorar og rafalar

Nikkel er almennt notað í rafsegulhluta sem krefjast stöðugrar segulmagns við endurteknar segulmagnaðir hringrásir.

Umsóknir eru m.a:

• Íhlutir í mótorstöng
• Rótorsamsetningar
• Segulvörn
• Rafall íhlutir
• Rafsegulstýringar

Rafsegulliða og segulmagnaðir

Tiltölulega mikil segulgegndræpi nikkels gerir skilvirka segulflæðissendingu kleift.

Dæmigert forrit eru ma:

• Relay armatures
• Solenoid kjarna
• Rafsegulrofar
• Samskiptakerfi
• Iðnaðarstýribúnaður

Segulskynjarar

Margar skynjunartækni byggja á stöðugri segulhegðun nikkels.

Umsóknir eru m.a:

• Hall-effekt skynjarar
• Nálægðarskynjarar
• Staðsetningarskynjarar
• Straumspennar
• Hraðamælingarkerfi

Endurhlaðanlegar rafhlöður

Nikkel er lykilefni í fjölmörgum rafhlöðutækni.

Sem dæmi má nefna:

• Nikkel-málmhýdríð (NiMH)
• Nikkel-kadmíum (NiCd)
• Nikkelríkar litíumjóna bakskaut
• Rafhlöðustraumsafnarar

Rafeindahlutir

Rafhúðuð nikkelhúð þjónar bæði verndandi og hagnýtum tilgangi.

Algengar umsóknir eru ma:

• Prentaðar hringrásarplötur (PCB)
• Tengi
• Hálfleiðara pakkar
• Hlífðar girðingar
• Nákvæmar tengiliðir

Aerospace Industry

Nikkel-undirstaða málmblöndur eru mikið notaðar í flugvélum og geimförum vegna þess að þær halda vélrænni styrk við hærra hitastig.

Dæmigert íhlutir eru ma:

• Túrbínuvélar
• Útblásturskerfi
• Festingar
• Skynjarar
• Háhita rafsegultæki

Efnavinnslubúnaður

Hreint nikkel sameinar segulmagnaðir eiginleikar með framúrskarandi tæringarþol gegn basískum efnum.

Dæmigerður búnaður felur í sér:

• Dælur
• Lokar
• Hitaskipti
• Þrýstihylki
• Rafefnakljúfar

Lækningatæki

Nikkel sem inniheldur segulmagnaðir efni er að finna í fjölmörgum lækningatækjum.

Sem dæmi má nefna:

• Greiningartæki
• MRI-samhæfðir hjálparíhlutir
• Skurðtækjabúnaður
• Nákvæmar stýringar
• Sjálfvirkni rannsóknarstofu

Segulvörn

Nikkel sem inniheldur málmblöndur eru mikið notaðar fyrir rafsegultruflanir (EMI) vernd.

Umsóknir eru m.a:

• Rafræn hús
• Samskiptabúnaður
• Aerospace rafeindatækni
• Iðnaðar sjálfvirkni
• Nákvæm tækjabúnaður

8. Nikkel vs aðrir segulmálmar

Þó Járn (Fe), Kóbalt (CO), Og Nikkel (In) eru þrír náttúrulega járnsegulmagnaðir málmar við stofuhita, þeir eru verulega frábrugðnir í segulmagni, vélrænni eiginleika, tæringarþol, hitastöðugleiki, og iðnaðarnotkun.

9. Algengar goðsagnir um nikkel segulmagn

10. Niðurstaða

Nikkel hefur sérstöðu meðal verkfræðilegra málma vegna þess að það sameinar náttúruleg ferromagnetism, Framúrskarandi tæringarþol, framúrskarandi sveigjanleiki, og áreiðanleg háhitaafköst.

Sem einn af þremur frummálmum sem sýna ferromagnetism við stofuhita, nikkel gegnir mikilvægu hlutverki í notkun, allt frá rafsegulbúnaði og skynjara til efnavinnslubúnaðar og háþróaðra geimferðakerfa.

Samt, segulmagnaðir hegðun í nikkeli er blæbrigðaríkari en einföld segulmagnuð eða ósegulflokkun.

Hreint nikkel er áberandi ferromagnetic, en segulstyrkur hans er minni en járns. Þar að auki, álsamsetning, hitameðferð, Kalt að vinna, rekstrarhitastig, og örbygging hafa öll veruleg áhrif á segulvirkni.

Fyrir verkfræðinga og hönnuði, að velja viðeigandi nikkel efni krefst jafnvægis margra þátta, þ.mt segulmagnaðir gegndræpi, vélrænn styrkur, tæringarþol, framleiðsla, þjónustuhitastig, og líftíma kostnað.

Í krefjandi iðnaðarumhverfi þar sem tæringarþol og áreiðanlegir segulmagnaðir eiginleikar verða að vera samhliða, nikkel er enn eitt fjölhæfasta og verðmætasta verkfræðiefnið sem völ er á.

 

Algengar spurningar

Er hreint nikkel segulmagnaðir við stofuhita?

Já. Hreint nikkel er ferromagnetic við stofuhita (20° C.) og helst það upp í Curie hitastigið 358°C.

Eru allar nikkelblendir segulmagnaðir?

Nei. Segulhegðun nikkelblendis fer eftir málmblöndunarefnum og styrk þeirra.

Margar nikkel málmblöndur (T.d., Inconel, Monel, Hastelloy) eru ekki segulmagnaðir eða veikt segulmagnaðir.

Hvernig er segulmagn nikkels samanborið við járn?

Nikkel hefur lægra segulmagnaðir augnablik á hvert atóm (0.6 μ_B vs. 2.2 μ_B fyrir járn) og lægri mettunarsegulvæðing (0.6 T vs. 2.15 T.). Járn er sterkari segulmagnaðir en nikkel.

Getur nikkel verið gert segulmagnað?

Já. Nikkelblendi með nægjanlegum ósegulmagnuðum þáttum (T.d., kopar, króm, Títan) getur þynnt ferromagnetic grindurnar og framleitt segulmagnaðir eða veikt segulmagnaðir málmblöndur.

Hver er mest segulmagnaðir nikkelblendi?

Permalloy (80% In, 20% Fe) er ein af segulmagnuðustu nikkelblendinum, með hlutfallslegt gegndræpi yfir 100,000.