Содержание
Любой ребенок знает, что металлы притягиваются к магнитам. Ведь они не раз вешали магнитики на металлическую дверцу холодильника или буквы с магнитиками на специальную доску. Однако, если приложить ложку к магниту, притяжения не будет. Но ведь ложка тоже металлическая, почему тогда так происходит? Итак, давайте выясним, какие металлы не магнитятся.
Научная точка зрения
Чтобы определить, какие металлы не магнитятся, нужно выяснить, как все металлы вообще могут относиться к магнитам и магнитному полю. По отношению к внесенному магнитному полю все вещества делят на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.
Каждый атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Они непрерывно движутся, что создает магнитное поле. Магнитные поля электронов одного атома могут усиливать друг друга или уничтожать, что зависит от направления их движения. Причем скомпенсированы могут быть:
- Магнитные моменты, вызванные движением электронов относительно ядра – орбитальные.
- Магнитные моменты, вызванные вращением электронов вокруг своей оси — спиновые.
Если все магнитные моменты равны нулю, вещество относят к диамагнетикам. Если скомпенсированы только спиновые моменты — к парамагнетикам. Если поля не скомпенсированы – к ферромагнетикам.
Парамагнетики и ферромагнетики
Рассмотрим вариант, когда у каждого атома вещества есть свое магнитное поле. Эти поля разнонаправлены и компенсируют друг друга. Если же рядом с таким веществом положить магнит, то поля сориентируются в одном направлении. У вещества появится магнитное поле, положительный и отрицательный полюс. Тогда вещество притянется к магниту и само может намагнититься, то есть будет притягивать другие металлические предметы. Так, например, можно намагнитить дома стальные скрепки. У каждой появится отрицательный и положительный полюс и можно будет даже подвесить целую цепочку из скрепок на магнит. Такие вещества называют парамагнитными.
Ферромагнетики — небольшая группа веществ, которые притягиваются к магнитам и легко намагничиваются даже в слабом поле.
Диамагнетики
У диамагнетиков магнитные поля внутри каждого атома скомпенсированы. В этом случае при внесении вещества в магнитное поле к собственному движению электронов добавится движение электронов под действием поля. Это движение электронов вызовет дополнительный ток, магнитное поле которого будет направлено против внешнего поля. Поэтому диамагнетик будет слабо отталкиваться от расположенного рядом магнита.
Итак, если подойти с научной точки зрения к вопросу, какие металлы не магнитятся, ответ будет – диамагнитные.
Распределение парамагнетиков и диамагнетиков в периодической системе элементов Менделеева
Магнитные свойства простых веществ периодично изменяются с увеличением порядкового номера элемента.
Вещества, не притягивающиеся к магнитам (диамагнетики), располагаются преимущественно в коротких периодах – 1, 2, 3. Какие металлы не магнитятся? Это литий и бериллий, а натрий, магний и алюминий уже относят к парамагнетикам.
Вещества, притягивающиеся к магнитам (парамагнетики), расположены преимущественно в длинных периодах периодической системы Менделеева – 4, 5, 6, 7.
Однако последние 8 элементов в каждом длинном периоде также являются диамагнетиками.
Кроме того, выделяют три элемента – углерод, кислород и олово, магнитные свойства которых различны у разных аллотропных модификаций.
К тому же называют еще 25 химических элементов, магнитные свойства которых установить не удалось вследствие их радиоактивности и быстрого распада или сложности синтеза.
Магнитные свойства лантаноидов и актиноидов (все они являются металлами) меняются незакономерно. Среди них есть и пара- и диамагнетики.
Выделяют особые магнитоупорядоченные вещества – хром, марганец, железо, кобальт, никель, свойства которых изменяются незакономерно.
Какие металлы не магнитятся: список
Ферромагнетиков, то есть металлов, которые хорошо магнитятся, в природе существует всего 9. Это железо, кобальт, никель, их сплавы и соединения, а также шесть металлов- лантаноидов: гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий и тулий.
Металлы, притягивающиеся только к очень сильным магнитам (парамагнетики): алюминий, медь, платина, уран.
Поскольку в быту не встречаются настолько большие магниты, которые бы притянули парамагнетик, а также не встречаются металлы-лантаноиды, можно смело утверждать, что все металлы, кроме железа, кобальта, никеля и их сплавов не будут притягиваться к магнитам.
Итак, какие металлы не магнитятся к магниту:
- парамагнетики: алюминий, платина, хром, магний, вольфрам;
- диамагнетики: медь, золото, серебро, цинк, ртуть, кадмий, цирконий.
В целом можно сказать, что черные металлы притягиваются к магниту, цветные – не притягиваются.
Если говорить о сплавах, то сплавы железа магнитятся. К ним относят в первую очередь сталь и чугун. К магниту могут притянуться и драгоценные монеты, поскольку они изготовлены не из чистого цветного металла, а из сплава, который может содержать небольшое количество ферромагнетика. А вот украшения из чистого цветного металла к магниту не притянутся.
Какие металлы не ржавеют и не магнитятся? Это обычная пищевая нержавейка, золотые и серебряные изделия.
Дата публикации: 24 февраля 2015 .
Категория: Электротехника.
В магнитных цепях различных электрических машин, трансформаторов, приборов и аппаратов электротехники, радиотехники и других отраслей техники встречаются разнообразные магнитные и немагнитные материалы.
Магнитные свойства материалов характеризуются величинами напряженности магнитного поля, магнитного потока, магнитной индукции и магнитной проницаемости.
Зависимость между магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля, выраженная графически, образует кривую, называемую петлей гистерезиса. Пользуясь этой кривой, можно получить ряд данных, характеризующих магнитные свойства материала.
Переменное магнитное поле вызывает появление в магнитных материалах вихревых токов. Эти токи нагревают сердечники (магнитопроводы), что приводит к затрате некоторой мощности.
Для характеристики материала, работающего в переменном магнитном поле, суммарное значение мощности, затрачиваемой на гистерезис и вихревые токи при частоте 50 Гц, относят к 1 кг веса материала. Эта величина называется удельными потерями и выражается в Вт/кг.
Магнитная индукция того или иного магнитного материала не должна превышать некоторой максимальной величины в зависимости от вида и качества данного материала. Попытки увеличить индукцию приводят к увеличению потерь энергии в данном материале и его нагреву.
Магнитные материалы классифицируются как магнитно-мягкие и магнитно-твердые.
Магнитно-мягкие материалы
Магнитно-мягкие материалы должны отвечать следующим требованиям:
- обладать большой относительной магнитной проницаемостью µ, позволяющей получать большую магнитную индукцию B при возможно малом числе ампер-витков;
- иметь возможно меньшие потери на гистерезис и вихревые токи;
- обладать стабильностью магнитных свойств.
Магнитно-мягкие материалы используются в качестве магнитопроводов электрических машин, сердечников трансформаторов, дросселей, электромагнитов реле, электроизмерительных приборов и тому подобном. Рассмотрим некоторые магнитно-мягкие материалы.
Электротехническое железо
получают путем электролиза сернистого или хлористого железа с последующей плавкой в вакууме продуктов электролиза. Измельченное в порошок электролитическое железо идет на изготовление магнитных деталей по типу изготовления керамики или пластмасс.
получается в виде порошка в результате термического разложения вещества, в состав которого входит железо, углерод и кислород [Fe(CO)5].
При температуре 1200 °С порошок карбонильного железа спекается и идет на изготовление таких же деталей, которые выполняются из электролитического железа. Карбонильное железо отличается высокой чистотой и пластичностью; применяется в электровакуумной промышленности, а также в приборостроении для изготовления лабораторных инструментов и приборов.
Рассмотренные» нами два вида особо чистого железа (электролитическое и карбонильное) содержат не более 0,05 % примесей.
Листовая электротехническая сталь
является наиболее распространенным материалом в электромашиностроении и трансформаторостроении. Электротехническая сталь легируется кремнием для улучшения ее магнитных свойств и уменьшения потерь на гистерезис. Кроме того, в результате введения кремния в состав стали увеличивается ее удельное сопротивление, что приводит к уменьшению потерь на вихревые токи. Толщина листа в зависимости от марки стали 0,3 и 0,5 мм. Электротехническая сталь, прокатанная в холодном состоянии с последующим отжигом в атмосфере водорода, имеет особо высокие магнитные свойства. Это объясняется тем, что кристаллы металла располагаются параллельно направлению прокатки. Такая сталь обозначается буквами ХВП (холоднокатаная высокой проницаемости, текстурированная). Листы стали имеют размеры от 1000 × 700 до 2000 × 1000 мм.
Марки электротехнической стали раньше обозначались, например, так: Э3А, Э1АБ, Э4АА. Буква Э означает – электротехническая сталь; буква А – пониженные потери мощности в переменном магнитном поле; буквы АА – особо низкие потери; буква Б – повышенная магнитная индукция; цифры 1 – 4 показывают количество содержащегося в стали кремния в процентах.
Согласно ГОСТ 802-54, введены новые обозначения марок электротехнической стали, например: Э11, Э21, Э320, Э370, Э43. Здесь буква Э обозначает – электротехническая сталь; первые цифры: 1 – слаболегированная кремнием; 2 – среднелегированная кремнием; 3 – повышенолегированная кремнием и 4 – высоколегированная кремнием. Вторые цифры в обозначении марок указывают на следующие гарантированные магнитные и электрические свойства сталей: 1, 2, 3 – удельные потери при перемагничивании сталей при частоте 50 Гц и магнитная индукция в сильных полях; 4 – удельные потери при перемагничивании сталей при частоте 400 Гц и магнитная индукция в средних полях; 5, 6 – магнитная проницаемость в слабых полях (H менее 0,01 А/см); 7, 8 – магнитная проницаемость в средних полях (H от 0,1 до 1 А/см). Третья цифра 0 указывает на то, что сталь холоднокатаная, текстурированная.
Пермаллой
сплав железа и никеля. Примерный состав пермаллоя: 30 – 80 % никеля, 10 – 18 % железа, остальное медь, молибден, марганец, хром. Пермаллой хорошо обрабатывается и выпускается в виде листов. Обладает очень высокой магнитной проницаемостью в слабых магнитных полях (до 200 000 Гн/см). Пермаллой применяется для изготовления деталей телефонной и радиотехнической связи, сердечников трансформаторов, катушек индуктивности, реле, деталей электроизмерительных приборов.
Альсифер
сплав алюминия, кремния и железа. Примерный состав альсифера: 9,5 % кремния, 5,6 % алюминия, остальное железо. Альсифер – твердый и хрупкий сплав, поэтому он обрабатывается с трудом. Преимущества альсифера – высокая магнитная проницаемость в слабых магнитных полях (до 110 000 Гн/см), большое удельное сопротивление (ρ =»» 0,81 Ом × мм²/м), отсутствие в его составе дефицитных металлов. Применяется для изготовления сердечников, работающих в высокочастотных установках.
Пермендюр
сплав железа с кобальтом и ванадием (50 % кобальта, 1,8 % ванадия, остальное железо). Пермендюр выпускается в виде листов, полос и лент. Применяется для изготовления сердечников электромагнитов, динамических репродукторов, мембран, телефонов, осциллографов и тому подобного.
Магнитодиэлектрики
Это магнитно-мягкие материалы, раздробленные в мелкие зерна (порошок), которые изолируются одно от другого смолами или другими связками. В качестве порошка магнитного материала применяется электротехническое железо, карбонильное железо, пермаллой, альсифер, магнетит (минерал FeO · Fe2O3). Изолирующими связками являются: шеллак, фенолоформальдегидные смолы, полистирол, жидкое стекло и другие. Порошок магнитного материала смешивают с изолирующей связкой, тщательно перемешивают и из полученной массы прессуют под давлением сердечники трансформаторов, дросселей, деталей радиоаппаратуры. Зернистое строение магнитодиэлектрических материалов обуславливает малые потери на вихревые токи при работе этих материалов в магнитных полях токов высокой частоты.
Магнитно-твердые материалы
Магнитно-твердые материалы применяются для изготовления постоянных магнитов. Эти материалы должны отвечать следующим требованиям:
- обладать большой остаточной индукцией;
- иметь большую максимальную магнитную энергию;
- обладать стабильностью магнитных свойств.
Самым дешевым материалом для постоянных магнитов является углеродистая сталь (0,4 – 1,7 % углерода, остальное – железо). Магниты, изготовленные из углеродистой стали, обладают невысокими магнитными свойствами и быстро теряют их под влиянием нагрева, ударов и сотрясений.
Легированные стали обладают лучшими магнитными свойствами и применяются для изготовления постоянных магнитов чаще, чем углеродистая сталь. К таким сталям относятся хромистая, вольфрамовая, кобальтовая и кобальто-молибденовая.
Для изготовления постоянных магнитов в технике разработаны сплавы на основе железа – никеля – алюминия. Эти сплавы отличаются высокой твердостью и хрупкостью, поэтому они могут обрабатываться только шлифованием. Сплавы обладают исключительно высокими магнитными свойствами и большой магнитной энергией в единице объема.
В таблице 1 приведены данные о составе некоторых магнитно-твердых материалов для изготовления постоянных магнитов.
Химический состав магнитно-твердых материалов
| Наименование материала | Химический состав в весовых процентах | Относительный вес на единицу магнитной энергии |
| Углеродистая сталь Хромистая сталь Вольфрамовая сталь Кобальтовая сталь Кобальто-молибденовая сталь Альни Альниси Альнико Магнико |
0,45 C остальное Fe 2 – 3 Cr; 1 C 5 W; 1 C 5 – 30 Co; 5 – 8 Cr; 1,5 – 5 W 13 – 17 Mo; 10 – 12 Co 12,5 Al; 25 Ni; 5 Cн 14 Al; 34 Ni; 1 Si 10 Al; 17 Ni; 12 Co; 6 Cн 24 Co; 13 Si; 8 Al; 3 Cн |
26,7 17,2 15,8 5,1 – 12,6 3,8 3,6 3,4 3,1 1 |
Немагнитные материалы
В различных приборах и аппаратах, применяемых в электротехнике, необходимо иметь материал, не обладающий магнитными свойствами. Для таких целей пригодны пластмасса и цветные металлы (алюминий, латунь, бронза). Однако эти материалы обладают малой механической прочностью, а некоторые из них дефицитны. В связи с этим они заменяются немагнитной сталью и немагнитным чугуном.
Примерный состав немагнитной стали: 0,25 – 0,35 % углерода, 22 – 25 % никеля, 2 – 3 % хрома, остальное – железо. Немагнитная сталь применяется для стяжки и крепления трансформаторов, дросселей, катушек индуктивности и тому подобного.
Примерный состав немагнитного чугуна: 2,6 – 3 % углерода, 2,5 % кремния, 5,6 % марганца, 9 – 12 % никеля, остальное – железо.
Немагнитный чугун применяется для изготовления крышек, кожухов, втулок, масляных выключателей, кабельных муфт, кожухов сварочных трансформаторов.
Источник: Кузнецов М. И., «Основы электротехники» — 9-е издание, исправленное — Москва: Высшая школа, 1964 — 560с.
Благодаря использованию фуллеренов, физикам удалось «подарить» магнетизм немагнитной меди и марганцу
(иллюстрация University of Leeds).
Два распространённых металла, которые не обладают магнитными свойствами — медь и марганец — физики в рамках нового исследования наделили таковыми. Недолго тонкие плёнки этих материалов вели себя словно магнитные железо, кобальт или никель. Методика превращения немагнитного материала в магнитный включает в себя создание тончайших пластов и внедрение в них молекул на основе углерода.
Постоянные магниты на основе железа обладают своими свойствами благодаря спинам электронов, которые химический элемент имеет в своём составе. Спин, по сути, означает, что каждый электрон создает своё собственное магнитное поле.
Большинство электронов составляют пары так, что спины уничтожают эффект друг друга. Но некоторые непарные спины выстраиваются по внешнему магнитному полю и остаются в том же положении даже тогда, когда это поле удалено.
Совместный эффект этих крошечных унифицированных магнитных полей как раз и делает некоторые металлы, такие как железо, кобальт и никель магнитными материалами при комнатной температуре.
Как рассказывается в пресс-релизе, в рамках своего эксперимента учёные заставили немагнитные медь и марганец вести себя точно таким же образом и проявить магнитные свойства. Учёные выстроили на подложке бутерброд из тонких плёнок металлов (2,5 нанометра) и слоёв из фуллеренов (15 нм) — похожих на клетку молекул из 60 атомов углерода. Фуллерены отличаются тем, что они особенно эффективно оттягивают на себя электроны, отвечающие за электрическую проводимость металлов.
В результате изменения электронной структуры образцов физики получили довольно слабые и чрезвычайно тонкие, но всё же магнитные пласты меди и марганца. Когда их подвергли воздействию внешнего магнитного поля, а затем удалили его, 10% от индуцированного магнитного поля осталось действующим.
Чтобы проверить, что за проявление эффекта отвечает именно переход электронов на границе металл-фуллерен, учёные проложили алюминий между слоями. Магнитные свойства образцов, как и ожидалось, пропали.
Ведущий автор работы Оскар Сеспедес (Oscar Cespedes) и его коллеги из Университета Лидса надеются, что инновационная технология поможет создать более безопасный для окружающей среды и человека аналог контрастному веществу гадолинию. Он на сегодняшний день широко используется в магнитно-резонансной томографии.
Технология также может использоваться в ветровых турбинах, содержащих электрические генераторы с магнитными материалами, которые должны сохранять свою поляризацию, поглощая большое количество энергии. В настоящее время турбины содержат железо, кобальт и никель, смешанные с редкоземельными элементами, но все они слишком дорого стоят и трудно добываются.
Сеспедес и его команда уверены, что технологию предстоит ещё довольно долго дорабатывать. Прежде всего, физики хотят сосредоточиться на том, чтобы заставить эффект «искусственного» магнетизма длиться дольше (сейчас он держится всего несколько часов) и сделать его более ощутимым. Однако тот факт, что эксперимент был успешно проведён с марганцем даже при комнатной температуре, уже является большим успехом.
Данное открытие может привести к созданию новых видов гибридных металлорганических магнитов, которые могут быть полезны, к примеру, в рентгенографии. Об этом исследователи рассказали в статье, опубликованной в журнале Nature.
Наблюдаемый эффект может быть использован в спинтронике, а также в квантовых компьютерах будущего.
>
