Какие металлы имеют магнитные свойства
Материаловед Валентин Крапошин о постоянных магнитах, металлических стеклах и магнитной железной дороге
Какие виды магнитных металлов существуют? В каких устройствах используются постоянные магниты? В чем уникальность ферромагнитных материалов? На эти и другие вопросы отвечает доктор технических наук Валентин Крапошин.
Физические свойства металлов, как и всех остальных веществ, конечно, определяются взаимодействием атомов между собой. Сразу нужно определить, что такое физические свойства. Для материаловедов свойства бывают физические и механические. В чем между ними разница? Физика ведь все объясняет, физика — это природа. Но есть очень простая градация. Физические свойства — это те, при измерении которых размеры и форма образца не изменяются, он не разрушается, не изгибается. А когда они изменяются, это механические свойства. Понятно, что эти свойства важны, хотя первым делом человечество использовало прочность и только потом стало использовать физические свойства, прежде всего электрические. Следующие важные свойства кроме электрических — магнитные свойства. Важным компонентом современной техники, электроники и приборостроения в целом являются магнитные материалы.
Металлы, как Ломоносов говорил, — «светлые тела, которые ковать можно». Их физические свойства определяются тем, что у них есть свободные электроны, между ними возникает металлическая связь. От этого металлы блестят, от этого они пластичны и хорошо проводят электрический ток, и, что очень важно, некоторые из них обладают очень интересными магнитными свойствами. Эти магнитные свойства во многом определяют лицо нашей электроники, приборостроения и электротехники. Электрический ток у нас в розетках получается преобразованием высокого напряжения в низкое — это достигается благодаря магнитным свойствам железа. Магнитные стрелки, компасы и магнитные ориентирующие приборы — все это основано на действии постоянного магнитного поля. И у магнитных свойств металлов есть две противоположности. Некоторые магнитные металлы очень легко перемагничиваются с частотой 50 герц или даже с частотой мегагерц — это особые материалы для перемагничивания, для преобразования электрических сигналов, это радиотехника. И вторые, которые, наоборот, никакими силами не перемагничиваются, постоянные магниты — это магнитные стрелки, определяющие очень многие электрические машины, электромоторы и генераторы.
А в последнее время, благодаря сильному повышению свойств этих материалов для постоянных магнитов, то есть повышению их сопротивления внешнему размагничивающему полю, удалось создать совершенно новые устройства. Самый яркий пример — это железная дорога на магнитной подвеске. Она стала возможна (хотя и довольно дорого стоит до сих пор), потому что эти вещества, которые обнаружили в 80-е годы XX века, сопротивляются внешнему магнитному полю.
Важнейшие магнитные материалы — это то, чем я занимался первую треть своей профессиональной деятельности, — это материалы для постоянных магнитов. Они известны очень давно, начиная с Древнего Китая. Обращаю ваше внимание, что обычно магниты по традиции рисуют в виде изогнутой подковы. Почему это так? Потому что у магнитной стрелки есть север и юг, силовые линии магнитного поля выходят из северного полюса, заходят в южный, и любой магнит находится под действием собственного размагничивающего поля.
До начала XX века магниты делались из стали, их делали обязательно длинными — магнитные стрелки были длинными, чтобы магнит сам себя не размагничивал. Чем длиннее магнит, тем слабее его размагничивающее поле, а еще лучше — загнуть в подкову, чтобы сблизить полюса. И когда открыли некоторые соединения редкоземельных металлов с железом и с кобальтом — это уже 80–90-е годы XX века, — тогда появились первые магниты, у которых полюса можно сближать. Были сделаны тонкопленочные магниты, когда север и юг очень близко.
И тогда появилась возможность сделать печатный плоский электродвигатель.
Такие электродвигатели были сделаны в нашей стране, длина электродвигателя была 2 миллиметра, а диаметр, по-моему, 2 сантиметра.
Это тот случай, когда, как по Гегелю, количество переходит в качество. Когда появились такие сильные магниты, которые почти невозможно размагнитить внешним полем, тогда можно сблизить полюса — они были так сближены, что получился плоский электродвигатель. Кроме того, электродвигатель может теперь быть не круглым, а линейным. Эта идея была высказана в 1940 году английским инженером Польгрином, но до сих пор реализована только в Шанхае. В Шанхае построили железную дорогу на магнитной подвеске, там, где рельсы сделаны из постоянных магнитов, которые смотрят северным полюсом в небо. Такие же магниты на нижней стороне вагона, которые севером смотрят вниз. На отталкивании висит вагон, который движется с огромной скоростью. И все совершенно справедливо восхищаются этим, что никакого трения нет, магнитная подвеска. Но мало кто обращает внимание, что это реализация линейного электромотора, что сам вагон является мотором. Под вагоном стоит такая медная толстая шина, к которой приложено постоянное небольшое электрическое напряжение. И, по известному со школы правилу правой руки, или правилу буравчика, магнитное поле направлено вверх, электрический ток течет под брюхом вагона поперек вагона, соответственно, возникает перпендикулярная сила, которая тащит вагон, вагон сам себя тащит. То есть надо просто пропускать электрический ток по этой медной шине, что и делается.
Можно сделать такие же маленькие линейные двигатели, которые будут бегать по микросхеме и ее переключать, и там не будет никаких подшипников — очень удобно управлять. К сожалению, в нашей стране по понятным причинам эти работы в свое время прекратились и теперь пока не возобновились. Но я это рассказываю для того, чтобы привлечь внимание к этим материалам. Их количество, которое выпускает в год весь мир, очень маленькое по сравнению со сталью, это в тысячу раз меньше, чем сталь по весу, но их значение огромно. Все стеклоподъемники в автомобиле и даже устройства для определения степени обжарки курицы в микроволновой печи — они все используют постоянные магниты. Это удивительный материал, созданный природой и использованный человеком, который создает магнитное поле в нужном месте. Например, магнитные карточки, магнитные билеты — это все магниты. Человечество хорошо их использует, но, по-видимому, использует еще очень мало, и все еще впереди — на это я хотел обратить внимание.
До 80-х годов XX века в качестве самых лучших магнитомягких материалов — тех, которые легко перемагничиваются, они ведь должны перемагничиваться на больших частотах: либо на промышленной частоте 50 герц, либо на радиочастоте, а это кило- и мегагерцы, — использовались сплавы железа с никелем. Но у них есть серьезный недостаток: они очень нежные, буквально нежные, очень мягкие сами по себе. Их магнитные свойства очень легко испортить: если уронить магнитный сердечник на пол, даже на деревянный пол или ковер, он уже испортится. Исправить его очень трудно: его нужно очень долго нагревать при высокой температуре, целую неделю.
И вот в 80-е годы XX века нашли такие материалы — ферромагнитные, которые удивительным образом сочетают в себе свойства магнитной мягкости (то есть могут перемагничиваться при частотах внешнего поля мегагерц и при радиочастотах) и механические свойства высокопрочных сталей: их сломать вообще невозможно. Они на основе железа, называются они металлические стекла — такое необычное сочетание. Они непрозрачные, выглядят как хороший металл, очень хорошо блестят — ржавеют они очень плохо, поэтому блестят. Но у них нет кристаллической решетки, поэтому их назвали металлическими стеклами. Они получаются очень простым способом — закалкой металлической жидкости. Расплав сплава на основе железа или кобальта выливают на быстро вращающийся медный барабан, и получается ленточка, которая имеет высокую прочность и, самое главное, высокие магнитные свойства.
Вся современная электроника как раз на металлических стеклах, на этих ленточках. Это одно из достижений конца XX века, которое сейчас широко используется, и оно продолжает развиваться. Это уникальное сочетание высокой прочности механической и низкой прочности магнитной, способность перемагничиваться, наблюдается только в металлических стеклах. Но они непрозрачны — стекла они по принципу устройства структуры, все свойства определяются строением структуры. И там, конечно, до сих пор очень много непонятного, потому что пока люди считают, что жидкость не упорядочена — тогда откуда у этих стекол магнитный порядок? (А магнитные они потому, что имеют магнитный порядок.) Но, скорее всего, там есть дальний порядок, но не кристаллографический. Скорее всего, эти материалы состоят из длинных полимерных ниточек металлических атомов, так же как в ДНК или в жидких кристаллах.
Магниты — это материалы, которые создают магнитные поля, которые привлекают определенные металлы. У каждого магнита есть северный и южный полюс. Обратные полюса привлекают, в то время как полюса отталкиваются.
В то время как большинство магнитов изготовлены из металлов и металлических сплавов, ученые разработали способы создания магнитов из композиционных материалов, таких как магнитные полимеры.
Что создает магнетизм?
Магнетизм в металлах создается неравномерным распределением электронов в атомах некоторых металлических элементов.
Неравномерное вращение и движение, вызванные этим неравномерным распределением электронов, сдвигают заряд внутри атома назад и вперед, создавая магнитные диполи.
Когда магнитные диполи выравниваются, они создают магнитный домен, локализованную магнитную область с северным и южным полюсами.
В немагнитных материалах магнитные домены сталкиваются в разных направлениях, отменяя друг друга. В то время как в намагниченных материалах большинство этих доменов выровнены, указывая в том же направлении, что создает магнитное поле. Чем больше областей, которые выравнивают друг друга, тем сильнее магнитная сила.
Типы магнитов:
- Постоянные магниты (также известные как жесткие магниты) — это те, которые постоянно производят магнитное поле. Это магнитное поле вызвано ферромагнетизмом и является самой сильной формой магнетизма.
- Временные магниты (также известные как мягкие магниты) являются магнитными только при наличии магнитного поля.
- Электромагниты требуют, чтобы электрический ток проходил через их провода катушки, чтобы создать магнитное поле.
Развитие магнитов:
Греческие, индийские и китайские писатели задокументировали базовые знания о магнетизме более 2000 лет назад. Большая часть этого понимания была основана на наблюдении за влиянием магния (естественного магнитного минерала железа) на железо.
Ранние исследования магнетизма были проведены еще в XVI веке, однако развитие современных высокопрочных магнитов происходило не раньше 20-го века.
До 1940 года постоянные магниты использовались только в базовых приложениях, таких как компасы и электрические генераторы, называемые магнитосами. Разработка магнитов из алюминия и никеля-кобальта (Alnico) позволила постоянным магнитам заменить электромагниты в двигателях, генераторах и громкоговорителях.
Создание магнитов самария-кобальта (SmCo) в 1970-х годах создало магниты с вдвое большей магнитной плотностью энергии, чем любой ранее доступный магнит. Меньше более мощные магниты способствовали развитию многих известных нам электронных устройств.
К началу 1980-х годов дальнейшие исследования магнитных свойств редкоземельных элементов привели к открытию магнитов неодима и железа-бора (NdFeB).Магниты NdFeB снова привели к удвоению магнитной энергии над магнитами SmCo.
Магниты из редкой земли теперь используются во всем: от наручных часов и iPad до гибридных двигателей автомобилей и ветрогенераторов.
Магнетизм и температура:
Металлы и другие материалы имеют разные магнитные фазы, в зависимости от температуры окружающей среды, в которой они расположены. В результате металл может проявлять более одной формы магнетизма.
Железо, например, теряет свой магнетизм, становясь парамагнитным при нагревании выше 1418 ° F (770 ° C).
Температура, при которой металл теряет магнитную силу, называется ее температурой Кюри.
Железо, кобальт и никель — единственные элементы, которые в металлической форме имеют температуры Кюри выше комнатной температуры. Таким образом, все магнитные материалы должны содержать один из этих элементов.
Общие ферромагнитные металлы и их температуры кюри:
| Вещество | Температура Кюри |
| Железо (Fe) | 1418 ° F (770 ° C) |
| Кобальт (Со) | 2066 ° F (1130 ° C) |
| Никель (Ni) | 676. 4 ° F (358 ° C) |
| Гадолиний | 66 ° F (19 ° C) |
| Диспрозий | -301. 27 ° F (-185. 15 ° C) |
Источники:
How Stuff Works, Inc. Как работают магниты.
// science. Как это работает. ком / magnet1. HTM
Wikipedia. Температура Кюри.
// ru. википедия. орг / вики / Curie_temperature
Нет, чистое золото и серебро не притягиваются к магниту. Если же все-таки притяжение наблюдается, то значит, вас случайно дезинформировали или, в худшем случае, обманули.
Лишь несколько широко известных металлов обладают магнитными свойствами, включая ферромагнетики, такие как железо, никель и кобальт. Из магнитных металлов реже встречаются самарий, неодим и гадолиний.
В 1943 году в США выпускались стальные центы, содержащие цинк, которые магнитились. Цинк, будучи немагнитным металлом, использовался для тонкого покрытия, а сталь – это ферромагнитный металл.
Означает ли это, что посеребренные или позолоченные предметы могут притягиваться к магнитам? Все зависит от состава сплава металлов. Конечно, часы или ожерелье в стальной оправе, покрытые тонким слоем золота или серебра, могут быть магнитными, выдавая при простом проведении магнита свою действительную сущность.
Тем не менее это не исключает того, что немагнитные предметы могут выдаваться за драгметаллы. Например, часы или ювелирные изделия из немагнитного материала, такого как медь или даже пластик.
Как удостовериться в подлинности серебра или золота?
Приходилось ли вам видеть, как победители Олимпийских игр в шутку кусают свои золотые медали? Конечно, этот ритуал не связан с идеей сбалансированной диеты олимпийца!
Дело в том, что золото и некоторые другие драгметаллы являются мягкими: намного мягче человеческих зубов и пирита – «золота глупцов». Поэтому коллекционерам нужно проверять свои монеты, но не кусая их, поскольку царапины уменьшают стоимость и привлекательность монет. Есть более изящные и эффективные способы проверки чистоты золотых и серебряных изделий.
Давайте перечислим некоторые из них.
Что касается монет, жетонов (или – раундов) и слитков, то нужно проверить их размер и вес на соответствие характеристикам, указанным в монетных каталогах, сертификатах качества Монетного двора и т.п.
Можно использовать для проверки подлинности кислоту, но есть опасность обесцвечивания серебряной или золотой монеты, поэтому следует применять этот метод на небольших участках поверхности неколлекционных инвестиционных монет или слитков.
Для проверки металлических свойств монет и слитков используется рентгеновский спектрометр или анализатор звукового спектра.
Серебряный предмет можно проверить на теплопроводность: необходимо положить кубик льда на одну сторону и нагреть его с другой стороны. Если серебро настоящее, то лед сразу же начнет таять.
Любой профессиональный дилер поможет удостовериться в подлинности монет, жетонов или слитков. Так, «Золотой монетный дом» уделяет этому вопросу должное внимание (см. здесь).
Как избежать покупки подделок?
Если вы хотите приобрести настоящие серебряные или золотые изделия, то есть множество способов защитить себя от подделок.
Вот несколько советов, как защитить себя от поддельного золота и серебра:
— Всегда покупайте предметы из драгметаллов у дилера, обладающего хорошей репутацией (например, у компании «Золотой монетный дом»);
— Не следует искать и покупать «дешевое» золото или серебро! Если вам предлагают купить соответствующие продукты по цене ниже спотовой (речь не идет о скидках), то нужно насторожиться;
— Приобретая серебряные монеты или слитки, узнайте, как должны выглядеть соответствующие предметы. Множество неопытных любителей покупают продукцию, поддельность которой была бы очевидной для опытных коллекционеров и инвесторов;
— Если вы покупаете продукты из драгметаллов, не имеющие статуса законного платежного средства, например слитки и жетоны, то следует выбирать продукцию уважаемых производителей.
Не забудьте использовать магнитный тест! Помните, что если ваши золотые или серебряные изделия магнитятся, то они не сделаны из чистого золота или серебра!
Существуют ли какие-нибудь официальные монеты, которые магнитятся?
Единственной американской монетой, обладающей магнитными свойствами, является стальной цент 1943 года.
Хотя никель также является магнитным, в стандартных монетах США недостаточно этого металла, чтобы у них было соответствующее свойство. Даже монета в пять центов, которую называют «никелем», содержит 25% этого металла, а 75% – меди. Поэтому пятицентовые американские монеты не притягиваются к магнитам, несмотря на присутствие никеля.
В Канаде и Великобритании выпускается много монет для обращения из магнитных металлов, таких как сталь и никель. С 2000 года в Канаде используются монеты номиналом 1, 5, 10, 25 и 50 центов из стали. Магнитными являются британские монеты номиналом в 1 и 2 пенса, которые чеканятся с 1992 года.
В мире можно обнаружить много магнитных монет. Однако заметьте, что речь идет об изделиях из недрагоценных металлов с небольшой внутренней стоимостью.
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.