Is pure nikkel magnetisch

Als het 28e overgangsmetaalelement in het periodieke tabel, blijven de magnetische eigenschappen van Nickel een mysterie, die blijft hangen in de zoektocht naar wetenschappelijke ontdekking. Sinds de officiële ontdekking in de 18e eeuw heeft het unieke magnetische gedrag van Nickel generaties fysici perplex. Het vertoont noch het sterke ferromagnetisme van ijzer, noch het volledige paramagnetisme van aluminium. Deze "dubbelzinnige" magnetische eigenschap, ergens daartussenin, heeft wetenschappers bijna twee eeuwen gebracht om het onderliggende mechanisme te ontcijferen.

De magnetische aard van puur nikkel

Pure nikkel vertoont zwak ferromagnetisme bij kamertemperatuur, met een magnetisatiesterkte van maximaal 55 EMU/g en een dwang van ongeveer 100 OE. Met deze eigenschap kan het worden aangetrokken door permanente magneten, terwijl het niet het remanent -magnetisme van ijzer behoudt. Deze "zachte magnetische" eigenschap komt voort uit zijn unieke elektronische structuur: nikkelatomen bevatten acht elektronen in hun 3D -orbitalen, vijf met spin - omhoog en drie met spin - omlaag, wat resulteert in een netto magnetisch moment dat niet volledig is geannuleerd. Wanneer een groot aantal nikkelatomen aggregaat, vormen deze magnetische momenten spontaan gemagnetiseerde gebieden (domeinen) door uitwisselingsinteracties. Bij afwezigheid van een extern magnetisch veld zijn de domeinen echter willekeurig uitgelijnd en vertonen ze geen macroscopisch magnetisme.

Wanneer een extern magnetisch veld wordt toegepast, vertoont de magnetisatie van puur nikkel drie fasen:

Omkeerbare magnetisatie (0-500 OE): de domeinwanden bewegen langzaam en de magnetisatie-intensiteit is lineair evenredig met het externe magnetische veld.

Barkhausen Jump (500-1000 OE): de domeinwanden bewegen plotseling, wat resulteert in een stapverandering in de magnetisatie-intensiteit.

Near-saturation (>1000 OE): Alle domeinen zijn in wezen uitgelijnd en de toename van de magnetisatie -intensiteit vertraagt.

Dit kenmerk geeft pure nikkel extreem lage hysteresis verliezen in een afwisselend magnetisch veld, met een wervelstroomverliescoëfficiënt slechts één - derde die van siliciumstaal, waardoor het een ideaal materiaal is voor hoog - frequentie -elektromagnetische apparaten.

Drie belangrijke factoren die de magnetische eigenschappen beïnvloeden

Het effect van temperatuur op magnetische eigenschappen

De Curie -temperatuur van zuiver nikkel is 631 K (358 graden). Onder deze temperatuur vertoont het ferromagnetisme, terwijl het boven deze temperatuur, het transformeert in paramagnetisme. Experimentele gegevens tonen aan dat de magnetische gevoeligheid 3,2 × 10 - 3 is bij 20 graden, maar daalt scherp tot 1,8 × 10-4 wanneer verwarmd tot 300 graden. Deze temperatuurgevoeligheid wordt gebruikt in thermische sensoren: op nikkel gebaseerde thermistoren kunnen een meetnauwkeurigheid van 0,1 graden bereiken in het bereik van -50 graden tot 200 graden.

Gevormend effect van kristalstructuur

Het gezicht - gecentreerde kubieke (FCC) structuur van zuiver nikkel bij kamertemperatuur geeft het anisotrope magnetische permeabiliteit. Wanneer gemagnetiseerd langs de [100] kristalrichting, bereikt de magnetische permeabiliteit 1,2 × 10 - 6 h/m, terwijl de [111] richting slechts 0,8 x 10-6 h/m is. Single-kristal nikkel bereid door directionele stollingstechnologie kan een magnetische anisotropieverhouding tot 1,5: 1 bereiken, waardoor de energie-conversie-efficiëntie van magnetische apparaten aanzienlijk wordt verbeterd.

Legering verbeteringspaden

Het toevoegen van 30% ijzer om een ​​permalloy te vormen (ni - Fe) kan de initiële magnetische permeabiliteit verhogen tot de orde van 10^5, 1000 keer die van puur nikkel. Het toevoegen van 5% kobalt aan een nikkel - kobaltlegering vermindert zijn dwang van 100 OE tot 2 OE, waardoor het een topkeuze is voor magnetische opnamematerialen. Met deze legeringsstrategie kan Nikkel - gebaseerde magnetische materialen het gehele spectrum bedekken, van zachte magneten tot permanente magneten.

Vier snijden - randtoepassingen van magnetische drive

Magnetische afscherming voor kwantum computing

In supergeleidende qubits kunnen fluxvallen gevormd door pure nikkel dunne films magnetische veldruis verminderen met 40 dB, waardoor de retentietijden van kwantumstaten meer dan 100 μs mogelijk maken. Met behulp van een nikkel - gebaseerde magnetische schild in de kwantumcomputer van IBM, steeg de betrouwbaarheid van de bewerkingen van de kwantumpoort van 99,2% tot 99,97%. Een magnetische kernrevolutie in nieuwe energie

De motorstator van de Tesla Model 3 gebruikt een nikkel - Iron Soft Magnetic Alloy. Bij een werkfrequentie van 20kH

Magnetische navigatie in biomedicine

Nikkel nanodeeltjes met een diameter van 50 nm genereren een gelokaliseerd thermisch effect in een afwisselend magnetisch veld, waardoor precieze thermische ablatie van tumorcellen mogelijk is. Klinische proeven hebben aangetoond dat deze magnetische vloeistofhyperthermie -therapie een genezingspercentage van 72% heeft voor leverkanker en minder schade aan normaal weefsel veroorzaakt dan traditionele radiotherapie.

Van de ontdekking van het magnetisme van Nickel in de 18e eeuw tot de constructie van nikkel - gebaseerde kwantummagneten in de 21e eeuw, het begrip van de mensheid van het magnetisme van Pure Nickel is blijven verdiepen. Momenteel onderzoeken wetenschappers de mogelijkheid om nul te bereiken - Energy magnetische opslag door de topologische magnetische structuur van Nickel te manipuleren. In de industrie heeft 3D -printtechnologie de op maat gemaakte productie van nikkel - gebaseerde magnetische apparaten een realiteit gemaakt.