Медь магнитится или нет и в чем причины?
Иногда случается так, что необходимо определить, из какого металла или сплава состоит монета. Первое, что приходит в голову — это обратить внимание на ее цвет. Но потом оказывается, что, например, желтая монета может быть сделана как из меди, латуни, никелево-медного сплава, так и из другого материала. Как же тогда быть? Распространенным методом проверки является использование магнита. Но для этого необходимо знать, медь магнитится или нет.
Медь не магнитится
Магнитные свойства
Каждый атом имеет величину, называемую суммарным магнитным моментом, которая определяется движением электронов по их орбите. Магнитный момент определяет величину восприимчивости вещества к магнитному полю. Все металлы делятся на три группы:
- Диамагнетики — вещества с отрицательной магнитной восприимчивостью, т. е. не магнитятся. Сюда относятся: цинк, золото, медь и другие.
- Парамагнетики — имеют положительное значение магнитной восприимчивости, но невысокое.
- Ферромагнетики — это вещества, которые обладают сильной восприимчивостью к магнитному полю. Сюда относятся: никель, кобальт, железо, некоторые редкоземельные металлы, сплавы железа и другие.
Медь в таблице Менделеева
Сплавы и их магнитные свойства
Медь не магнитится. Если все-таки встречается монета, которая похожа на медь, но магнитными свойствами обладает, то скорее всего, это сплав. В таком сплаве меди будет не более 50%. Это может быть сделано специально, но бывали случаи, когда магнитные свойства проявляла медь, которая не была очищена от примесей в процессе изготовления монеты.
Любому человеку необходимы хотя бы минимальные знания о магнитных свойствах металлов. В большинстве случаев для определения меди этого достаточно — медное изделие к магниту не прилипнет.
Медь магнитится или нет: причины и способы определения
На чтение 3 мин.
Просмотров 956
Древние греки называли этот элемент халкосом, на латинском она именуется cuprum (Сu) или aes, а средневековые алхимики именовали этот химический элемент не иначе как Марс или Венера. Человечество давно познакомилось с медью за счет того, что в природных условиях ее можно было встретить в виде самородков, имеющих зачастую весьма внушительные размеры.
Легкая восстанавливаемость карбонатов и окислов данного элемента поспособствовала тому, что именно его, по мнению многих исследователей, наши древние предки научились восстанавливать из руды раньше всех остальных металлов.
Сначала медные породы просто-напросто нагревали на открытом огне, а затем резко охлаждали. Это приводило к их растрескиванию, что давало возможность выполнять восстановление металла.
В некоторых случаях возникает необходимость узнать материал изготовления монеты. Новичкам-нумизматам приходит идея определить вид металла по цвету монеты.
Но потом оказывается, что, например, желтая монета может быть сделана как из меди, латуни, никелево-медного сплава, так и из другого материала.
Как же тогда быть? Распространенным методом проверки является использование магнита. Но для этого необходимо знать, медь магнитится или нет.
Магнитные свойства
Каждый атом имеет величину, называемую суммарным магнитным моментом, которая определяется движением электронов по их орбите. Магнитный момент определяет величину восприимчивости вещества к магнитному полю.
Все металлы делятся на три группы:
- Диамагнетики — вещества с отрицательной магнитной восприимчивостью, т. е. не магнитятся. Сюда относятся: цинк, золото, медь и другие.
- Парамагнетики — имеют положительное значение магнитной восприимчивости, но невысокое. Это магний, платина, хром, алюминий и другие. Магнитятся, но слабо.
- Ферромагнетики — это вещества, которые обладают сильной восприимчивостью к магнитному полю. Сюда относятся: никель, кобальт, железо, некоторые редкоземельные металлы, сплавы железа и другие.
Сплавы и их магнитные свойства
Медь не магнитится.
В таком сплаве меди будет не более 50%. Это может быть сделано специально, но бывали случаи, когда магнитные свойства проявляла медь, которая не была очищена от примесей в процессе изготовления монеты.
Любому человеку необходимы хотя бы минимальные знания о магнитных свойствах металлов. В большинстве случаев для определения меди этого достаточно — медное изделие к магниту не прилипнет.
Целебные свойства меди
Понятно, что плотность меди, ее вес и всевозможные химические и магнитные показатели, по большому счету, мало интересуют обычного человека. А вот целебные свойства меди хотят узнать многие.
Древние индийцы применяли медь для лечения органов зрения и различных недугов кожных покровов. Древние греки излечивали медными пластинками язвы, сильную отечность, синяки и ушибы, а также и более серьезные болезни (воспаления миндалин, врожденную и приобретенную глухоту).
А на востоке медный красный порошок, растворенный в воде, применялся для восстановления сломанных костей ног и рук.
Лечебные свойства меди были хорошо известны и россиянам. Наши предки излечивали с помощью этого уникального металла холеру, эпилепсию, полиартриты и радикулиты. В настоящее время для лечения обычно используются медные пластинки, которые накладываются на специальные точки на теле человека.
Целебные свойства меди при такой терапии проявляются в следующем:
- защитный потенциал организма человека возрастает;
- инфекционные болезни не страшны тем, кто лечится медью;
- наблюдается снижение болевых ощущений и снятие воспалительных явлений.
Источники:
https://dedpodaril.com/lityo/med-magnititsya-ili-net.html
Свойства меди – химические, физические и уникальные целебные
3 разных типа магнитов и их применение
Магниты — это материалы, которые генерируют поле, которое притягивает или отталкивает некоторые другие материалы (например, железо и никель) с определенного расстояния.
Древние люди использовали магниты по крайней мере с 500 г. до н.э., и самые ранние известные описания таких материалов и их характеристики происходят из Китая, Индии и Греции около 25 веков назад. Однако искусственные магниты были созданы еще в 1980-х годах.
Очевидно, что не все магниты состоят из одних и тех же веществ, и поэтому их можно разделить на разные классы в зависимости от их состава и источника магнетизма. Ниже приведен подробный список трех основных типов магнитов с указанием их свойств, прочности, а также промышленного и непромышленного применения.
1. Постоянные магниты
После намагничивания постоянные магниты могут сохранять магнетизм в течение продолжительного времени. Они сделаны из материалов, которые могут намагничиваться и создают собственное постоянное магнитное поле.
Обычно постоянные магниты изготавливаются из четырех различных типов материалов:
I) Ферритовые магниты
Стек ферритовых магнитов | Изображение предоставлено: ВикимедиаФерритовые магниты (также называемые керамическими магнитами) являются электроизоляционными.
Они темно-серого цвета и выглядят как карандашный грифель.
Ферриты обычно представляют собой ферромагнитные керамические соединения, получаемые путем смешивания больших количеств оксида железа с металлическими элементами, такими как марганец, барий, цинк и никель. Некоторые ферриты имеют кристаллическую структуру, например ферриты стронция и бария.
Они довольно популярны благодаря своей природе: они не подвержены коррозии и, следовательно, используются для продления жизненного цикла многих продуктов. Ферритовые магниты могут использоваться в чрезвычайно жарких условиях (до 300 градусов Цельсия), и стоимость изготовления таких магнитов также низкая, особенно если они производятся в больших объемах.
Они могут быть далее подразделены на «твердые», «полужесткие» или «мягкие» ферриты, в зависимости от их магнитных свойств.
Поскольку твердые ферриты трудно размагничивать, они обладают высокой коэрцитивной силой. Они используются для изготовления магнитов, например небольших электродвигателей и громкоговорителей.
Мягкие ферриты, с другой стороны, имеют низкую коэрцитивную силу и используются для изготовления электронных индукторов, трансформаторов и различных микроволновых компонентов.
II) магниты Алнико
Магнит-подкова из алнико 5 | Эта U-образная форма образует мощное магнитное поле между полюсами, позволяя магниту захватывать тяжелые ферромагнитные материалы.Чтобы классифицировать их (основываясь на их магнитных свойствах и химическом составе), Ассоциация производителей магнитных материалов присвоила им номера, такие как Alnico 3 или Alnico 7.
Алникос был самым сильным типом постоянных магнитов до развития редкоземельных магнитов в 1970-х годах. Известно, что они создают высокую напряженность магнитного поля на своих полюсах — до 0,15 Тесла, что в 3000 раз сильнее, чем магнитное поле Земли.
Сплавы Alnico могут сохранять свои магнитные свойства при высоких рабочих температурах, вплоть до 800 градусов Цельсия. Фактически, они являются единственными магнитами, которые имеют магнетизм при нагревании раскаленным докрасна.
Эти магниты широко используются в бытовых и промышленных применениях: несколько примеров — это магнетронные трубки, датчики, микрофоны, электродвигатели, громкоговорители, электронные трубки, радары.
III) Редкоземельные магниты
Как следует из названия, редкоземельные магниты изготавливаются из сплавов редкоземельных элементов. Это самый сильный тип постоянных магнитов, разработанный в 1970-х годах. Их магнитное поле может легко превышать 1 Тесла.
Два типа редкоземельных магнитов — самарий-кобальтовые и неодимовые магниты. Оба уязвимы для коррозии и очень хрупкие. Таким образом, они покрыты определенным слоем (слоями), чтобы защитить их от сколов или поломок.
Самарий-кобальтовые магниты состоят из празеодима, церия, гадолиния, железа, меди и циркония.
Они могут сохранять свои магнитные свойства при высоких температурах и обладают высокой устойчивостью к окислению.
Из-за их меньшей напряженности магнитного поля и высокой стоимости производства они используются реже, чем другие редкоземельные магниты. В настоящее время они используются в настольном ядерно-магнитно-резонансном спектрометре, высококачественных электродвигателях, турбомашиностроении и во многих областях, где производительность должна соответствовать изменению температуры.
Неодимовые магниты, с другой стороны, являются наиболее доступным и сильным типом редкоземельных магнитов. Они представляют собой тетрагональную кристаллическую структуру, изготовленную из сплавов неодима, бора и железа.
Благодаря своим меньшим размерам и небольшому весу они заменили ферритовые и алникомагниты в многочисленных применениях в современных технологиях. Например, неодимовые магниты в настоящее время используются в головном приводе для компьютерных жестких дисков, электродвигателей для аккумуляторных инструментов, механических переключателей электронных сигарет и динамиков мобильных телефонов.
IV) одномолекулярные магниты
Универсальный внутриклеточный белок, называемый ферритином, считается магнитом с одной молекулой. Он хранит железо и выпускает его контролируемым образом.К концу 20-го века ученые узнали, что некоторые молекулы [которые состоят из ионов парамагнитного металла] могут проявлять магнитные свойства при очень низких температурах. Теоретически они способны хранить информацию на уровне магнитных доменов и обеспечивать гораздо более плотный носитель, чем традиционные магниты.
Одномолекулярные магниты состоят из кластеров марганца, никеля, железа, ванадия и кобальта. Было обнаружено, что некоторые цепные системы, такие как одноцепные магниты, сохраняют магнетизм в течение длительного периода времени при более высоких температурах.
Исследователи в настоящее время изучают монослои таких магнитов. Одним из ранних соединений, которое было исследовано в качестве одно-молекулярного магнита, является додекануклеарная марганцевая клетка.
Потенциальные возможности применения этих магнитов огромны.
К ним относятся квантовые вычисления, хранение данных, обработка информации и биомедицинские приложения, такие как контрастные агенты МРТ.
2. Временные магниты
Некоторые объекты могут быть легко намагничены даже слабым магнитным полем. Однако, когда магнитное поле удалено, они теряют свой магнетизм.
Временные магниты различаются по составу: они могут быть любым объектом, который действует как постоянный магнит в присутствии магнитного поля. Например, магнитомягкий материал, такой как никель и железо, не будет притягивать скрепки после удаления внешнего магнитного поля.
Когда постоянный магнит подносится к группе стальных гвоздей, гвозди прикрепляются друг к другу, а затем к постоянному магниту. В этом случае каждый гвоздь становится временным магнитом, а когда постоянный магнит удаляется, они больше не прикрепляются друг к другу.
Временные магниты в основном используются для изготовления временных электромагнитов, сила которых может варьироваться в соответствии с требованиями.
Они также используются для разделения материалов, сделанных из металла, на складах металлолома и дают новый импульс современной технологии — от высокоскоростных поездов до высокотехнологичного пространства.
3. Электромагнит
Электромагнит притягивающий железные опилкиЭлектромагнит был изобретен британским ученым Уильямом Стердженом в 1824 году. Затем он был систематически усовершенствован и популяризирован американским ученым Джозефом Генри в начале 1830-х годов.
Электромагниты представляют собой плотно намотанные витки провода, которые функционируют как магниты при прохождении электрического тока. Его также можно классифицировать как временный магнит, поскольку магнитное поле исчезает, как только ток отключается.
Полярность и напряженность магнитного поля, создаваемого электромагнитом, можно регулировать, изменяя направление и величину тока, протекающего через провод. Это главное преимущество электромагнитов перед постоянными магнитами.
Для усиления магнитного поля катушка обычно наматывается на сердечник из «мягкого» ферромагнитного материала, такого как мягкая сталь.
Провод, свернутый в одну или несколько петель, называется соленоидом.
Эти типы магнитов широко используются в электрических и электромеханических устройствах, включая жесткие диски, громкоговорители, жесткие диски, трансформаторы, электрические звонки, МРТ-машины, ускорители частиц и различные научные приборы.
Электромагниты также используются в промышленности для захвата и перемещения тяжелых предметов, таких как металлолом и сталь.
45. Медь; влияние примесей на свойства меди. Латуни, бронзы, медно-никелевые сплавы
45. Медь; влияние примесей на свойства меди. Латуни, бронзы, медно-никелевые сплавы
Медь – это металл красного, в изломе розового цвета, имеет температуру плавления 1083о С. Кристаллическая решетка ГЦК с периодом а 0,31607 ям. Плотность меди 8,94 г/см3. Медь обладает высокими электропроводимостью и теплопроводностью. Удельное электрическое сопротивление меди 0,0175 мкОм?м.
Марки меди: М00 (99,99 % Си), МО (99,97 % Си), М1 (99,9 % Си), М2 (99,7 % Си), М3 (99,50 % Си). Присутствующие в меди примеси оказывают большое влияние на ее свойства.
По характеру взаимодействия примесей с медью их можно разделять на три группы.
1. Примеси, образующие с медью твердые растворы: Ni, Zn, Sb, Fе. Р и др. Эти примеси (особенно Sb) резко снижают электропроводимость и теплопроводность меди, поэтому для проводников тока применяют медь М0 и М1. Сурьма затрудняет горячую обработку давлением.
2. Примеси Pb, Bi и другие, практически не растворимые в меди, образуют в ней легкоплавкие эвтектики, которые, выделяясь по границам зерен, затрудняют обработку давлением.
При содержании 0,005 % Вi медь разрушается при горячей обработке давлением, при более высоком содержании висмута медь становится хладноломкой; на электропроводимость эти примеси оказывают небольшое влияние.
3. Примеси кислорода и серы, образующие с медью хрупкие химические соединения Сu2О и Сu2S, входящие в состав эвтектики.
Если кислород находится в растворе, то он уменьшает электропроводимость, а сера не влияет на нее. Сера улучшает обрабатываемость меди резанием, а кислород, если он присутствует в меди, образует закись меди и вызывает «водородную болезнь».
При нагреве меди в атмосфере, содержащей водород, происходит его диффузия в глубь меди. Если в меди присутствуют включения Си2О, то они реагируют с водородом, в результате чего образуются пары воды. Две основные группы медных сплавов: латуни – сплавы меди с цинком; бронзы – сплавы меди с другими элементами.
Латуни – это многокомпонентные сплавы на основе меди, где основным компонентом является цинк. Технические латуни содержат до 40–45 % Zn. К однофазным б-латуням, которые легко деформируются в холодном и горячем состоянии, относятся Л96 (томпак), Л80 (полутомпак), Л68, обладающая наибольшей пластичностью. Двухфазные (? + ?) – латуни, Л59 и Л60 менее пластичны в холодном состоянии и их подвергают горячей обработке давлением.
По технологическому признаку латуни подразделяют на две группы: деформированные и литейные. Литейные латуни мало склонны к ликвидации и обладают антифрикционными свойствами
Деформируемые латуни обладают высокими коррозийными свойствами в атмосферных условиях.
Латуни, предназначение которых для фасонного литья, содержат большое количество специальных присадок, улучшающих их литейные свойства.
Оловянные бронзы. Сплавы, богатые оловом, очень хрупки. Оловянные бронзы обычно легируют Zn, Ре, P, Pb, Ni и другими элементами. Цинк улучшает технологические свойства бронзы и удешевляет бронзу. Фосфор улучшает литейные свойства. Никель повышает механические свойства, коррозийную стойкость и плотность отливок и уменьшает ликвацию. Железо измельчает зерно, но ухудшает технологические свойства бронз и сопротивляемость коррозии.
Различают деформируемые и литейные оловянные бронзы, которые обладают хорошими литейными свойствами. Двухфазные бронзы обладают высокими антифрикционными свойствами.
Их применяют для изготовления антифрикционных деталей.
Никелевые сплавы широко распространены в машиностроении. Никель сообщает меди повышенную стойкость против коррозии и улучшает ее механические и литейные свойства. Бронзы, которые содержат только никель, не применяются из-за высокой стоимости никеля. Никель вводится в сочетании с другими элементами.
В промышленности распространены никелевые сплавы, которые имеют названия: мельхиор (сплав меди с 18–20 % никеля) – применяется для гильз, имеет белый цвет и высокую коррозийную стойкость; константан – сплав меди с 39–41 % никеля. Константан имеет большое электрическое сопротивление и применяется в виде проволок и лент для реостатов, электроизмерительных приборов.
Медь и ее сплавы находят широкое применение в электротехнике, электронике, приборостроении, литейном производстве, двигателестроении. Так, 50 % полученной меди потребляется электротехнической и электронной отраслями промышленности. Она стоит на втором месте (вслед за алюминием) по объему производства среди цветных металлов.
Технические и технологические свойства меди: высокие электро– и теплопроводность, достаточная коррозионная стойкость, хорошая обрабатываемость давлением, свариваемость всеми видами сварки, хорошо поддается пайке, легко полируется. У чистой меди небольшая прочность и высокая пластичность. К недостаткам меди относятся:
– высокая стоимость;
– значительная плотность;
– большая усадка при литье;
– горячеломкость;
– сложность обработки резанием.
|
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Это означает, что он не подвержен коррозии. Опять же, это важно для труб, электрических кабелей, кастрюль и радиаторов отопления.
Пайка медных труб.
Это означает, что из него легко могут быть сформированы трубы и вытянуты проволоки.
Из-за этого он используется в специальных инструментах и в военных целях.
Наиболее известны латунь и бронза. Хотя медь обладает прекрасными электрическими и термическими свойствами, для многих промышленных применений ее необходимо упрочнять и укреплять. Поэтому его смешивают с другими металлами и расплавляют. Жидкие металлы образуют раствор, который после затвердевания называется сплавами. Некоторые медные сплавы:
| Вторичное использование | ||
| Медь может быть переработана без потери качества. 40% мирового спроса удовлетворяется за счет вторичной меди (см. Добыча меди). | ||
| Каталитические соединения | ||
| Медь может действовать как катализатор.Например, он ускоряет реакцию между цинком и разбавленной серной кислотой. Он содержится в некоторых ферментах, один из которых участвует в дыхании. Так что это действительно жизненно важный элемент. | ||
% PDF-1.
6
%
890 0 объект
>
endobj
880 0 объект
>
endobj
887 0 объект
> поток
2009-08-03T11: 22: 43-05: 002008-03-01T20: 52: 30 + 05: 302009-08-03T11: 22: 43-05: 00application / pdfuuid: 04ac0f86-448a-e845-af85-904df7fc83b0uuid: d6caa957-5249-c54e-b858-f58803468ab0 конечный поток
endobj
891 0 объект
> / Кодировка >>>>>
endobj
884 0 объект
>
endobj
885 0 объект
>
endobj
886 0 объект
>
endobj
116 0 объект
>
endobj
138 0 объект
>
endobj
161 0 объект
>
endobj
393 0 объект
>
endobj
445 0 объект
>
endobj
449 0 объект
>
endobj
613 0 объект
>
endobj
615 0 объект
> поток
HWny0R «š
h0Ŀe:; [utU?} ^ 7 ߾] } s \ _Wrq ^ 2? Ox xz | z8 ~ z8.
l
Проницаемость
Проницаемость — это способность поддерживать образование магнитных полей в материале.
Проницаемость измеряется в Гн / м (Генри / м) или ньютон / ампер 2 (Н / Д 2 ) .
Проницаемость свободного пространства
Проницаемость свободного пространства µ 0 (постоянная проницаемости или магнитная постоянная) составляет
µ 0 = 4π 10 −7 (Г / м)
≈ 1.257 10 −6 (H / m, N / A 2 )
Относительная проницаемость
Относительная проницаемость — это отношение проницаемости конкретной среды к проницаемости свободного пространства µ 0
µ r = µ / µ 0 (1)
где
r 9002 900 µ = проницаемость среды (Гн / м)
Наименьшая относительная магнитная проницаемость парамагнитного материала равна 1.
0 — и магнитный отклик материала такой же, как «свободное пространство» или полный вакуум.
| Средний | Проницаемость — µ — (H / m) | Относительная проницаемость — μ / μ 0 — | 1.00000037 |
|---|---|---|---|
| Алюминий | 1,256665 10 −6 | 1.000022 | |
| Аустенитная нержавеющая сталь 1) | 1,260 10 −6 — 8,8 10 −6 | 1.003 — 7 | |
| Висмут | 1.25643 10 | ||
| 1.25643 10 | |||
| Углеродистая сталь | 1,26 10 −4 | 100 | |
| Кобальт-железо (материал полосы с высокой проницаемостью) | 2,3 10 −2 | 18000 | |
| Медь | 1.256629 10 −6 | 0,999994 | |
| Феррит (никель-цинк) | 2,0 10 −5 — 8,0 10 −4 | 16-640 | |
| Ферритная нержавеющая сталь (отожженная) | 1,26 10 −3 — 2,26 10 −3 | 1000-1800 | |
| Водород | 1. 2566371 10 −6 | 1 | |
| Железо (чистота 99,8%) | 6.3 10 9049 3 | 5000 | |
| Железо (99.Fe 95%, отожженный в H) | 2,5 10 −1 | 200000 | |
| Мартенситная нержавеющая сталь (отожженная) | 9,42 10 −4 — 1,19 10 −3 | 750 — 950 | |
| Мартенситная нержавеющая сталь (закаленная) | 5,0 10 −5 — 1,2 10 −4 | 40-95 | |
| Nanoperm | 1.0 10 −1 | 80000 | |
| 1.32 10 −6 | 1.05 | ||
| Никель | 1.26 10 −4 — 7,54 10 −4 | 100-600 | |
| Пермаллой | 1.0 10 −2 9000 | ||
| Platinum | 1.256970 10 −6 | 1.000265 | |
| Sapphire | 1. 2566368 10 −6 | 0.99999976 | |
| 8000 Superconductors | |||
| 8000 Superconductors | |||
| 8000 1.2567 10 −6 | 1 | ||
| Вакуум (µ 0 ) | 4π 10 −7 | 1 | |
| 0,999992 | |||
| Дерево | 1,25663760 10 −6 | 1.00000043 |
1) Проницаемость аустенитных нержавеющих сталей отличается от ферритных и мартенситных сталей.Аустенитная сталь может быть классифицирована как парамагнитная с относительной проницаемостью, приближающейся к 1,0 в полностью аустенитном состоянии. Низкая проницаемость позволяет использовать аустенитную сталь там, где требуется немагнитный материал.
Прогнозирование магнитных свойств материалов
Инструмент MagnetPredictor может предсказывать магнитные свойства комбинаций редкоземельных элементов, переходных металлов и других элементов.
Предоставлено: Fraunhofer IWM.Постоянные магниты, используемые в электромобилях и ветряных турбинах, в настоящее время содержат редкоземельные металлы.Уменьшение количества этих элементов в магнитах важно, так как их добыча вредна как для здоровья, так и для окружающей среды. Исследователи разработали новый инструмент машинного обучения, который помогает быстро и легко прогнозировать свойства ферромагнитных кристаллов новых композиций материалов.
Возобновляемые источники энергии — ключевая технология будущего. Однако и электромобили, и ветряные турбины требуют больших и сильных постоянных магнитов.Неотъемлемой проблемой является то, что высокоэффективные магнитные материалы содержат от 12 до 17 процентов редкоземельных элементов, в основном неодима и самария, а также диспрозия и тербия. Источником этих элементов является почти исключительно Китай. Кроме того, горняки, добывающие это сырье, обычно работают в опасных для здоровья условиях, и этот процесс наносит вред окружающей среде.
Неудивительно, что исследователи материалов годами стремились найти альтернативы редкоземельным металлам в постоянных магнитах.В целом стандартный метод — это метод проб и ошибок: какие элементные композиции хорошо работали в прошлом, а какие могут сработать так же хорошо в будущем? Подобное тестирование — занятие дорогостоящее и трудоемкое.
Сбор кандидатов с помощью компьютерного моделирования
Исследователи из Института механики материалов Фраунгофера IWM во Фрайбурге открывают альтернативный, более эффективный подход. «Мы разработали высокопроизводительный метод компьютерного моделирования для систематического и быстрого тестирования большого количества материалов в качестве кандидатов на роль постоянных магнитов», — поясняет д-р.Йоханнес Мёллер, научный сотрудник подразделения Material Design в Fraunhofer IWM. «Наш метод заключается не в том, чтобы учитывать, какой конкретный процент марганца, кобальта или бора может оказаться жизнеспособным, а в том, чтобы позволить компьютеру моделировать множество возможных вариантов».
Этот комбинаторный подход может отфильтровать многообещающие композиции для создания набора разумных теоретических кандидатов, которые затем можно будет систематически исследовать. Это значительно сужает круг вопросов по сравнению с обычными методами проб и ошибок.«В принципе, этот подход не ограничивается магнитными свойствами, но также может применяться к другим свойствам материала», — говорит Мёллер.
Компьютеру требуется лишь ограниченное количество информации для выполнения моделирования: только кристаллическая структура магнитного материала и химические элементы, которые он содержит.«Все остальное зависит от физического контекста», — поясняет Мёллер. Когда дело доходит до кристаллической структуры, исследователи делают ставку на кристаллические решетки, в которых только один из четырнадцати атомов является элементом редкоземельного металла, что соответствует лишь семи процентам.
Команда проверила, насколько успешным является моделирование с использованием известных магнитных материалов. Успешно определив известные свойства таких материалов, они продемонстрировали, что моделирование может успешно предсказывать магнетизм новых материалов.Однако не менее важна константа магнитной анизотропии. Это значение является мерой того, насколько легко или сложно изменить полярность магнитного материала путем приложения магнитного поля. «Возможность предсказать это значение является огромной проблемой для компьютерной науки о магнитных материалах», — говорит Мёллер. Однако вместо этого ученые могут рассчитать полуколичественное значение; Другими словами, моделирование может систематически предсказывать значение магнитной анизотропии, которое является качественно, а не количественно точным.Моделирование, например, может показать, что материал X способен противостоять магнитным полям в семь раз сильнее, чем материал Y.
Машинное обучение заполняет пробелы
Теперь команда может использовать свои данные о магнитных свойствах материалов на более крупном этапе.
«Моделирование предоставляет нам от нескольких тысяч до десяти тысяч кандидатов. Однако существуют миллионы или даже миллиарды потенциальных элементарных композиций и комбинаций», — объясняет Мёллер.«Используя методы машинного обучения, мы можем заполнить большие пробелы между смоделированными и теоретическими цифрами». Исследователи также могут повернуть процесс вспять, чтобы оптимизировать материалы. Для этого они определяют минимальные требования к материалу, например, магнитную прочность или анизотропию, а также химические элементы, которые они надеются использовать, например, указав «использовать дешевую медь, а не редкий и дорогой кобальт». Затем алгоритм оптимизации обеспечивает наилучший возможный элементный состав материала с использованием модели материала, рассчитанной с помощью машинного обучения на основе данных материала.
Команда разработала удобный веб-инструмент, упрощающий использование программного обеспечения. Это позволяет пользователям вводить целевые свойства и исходные материалы.
Затем инструмент предоставляет информацию о магнитных свойствах и стоимости сырья. Реализованный алгоритм оптимизации скоро будет доступен.
Быстрый поиск лучших магнитов с помощью 3D-прототипов для печати на металле
Дополнительная информация: Демонстрация доступна на с.fhg.de/mp Предоставлено Fraunhofer-Gesellschaft
Ссылка :
Прогнозирование магнитных свойств материалов (4 сентября 2018 г.
)
получено 30 ноября 2020
с https: // физ.org / news / 2018-09-magnet-properties-materials.html
Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.
Пьезомагнитный материал изменяет магнитные свойства при растяжении
Вверху: кусок BaFe2As2 растягивается во время магнитных измерений (катушка из медной проволоки является частью устройства ЯМР).Нижняя диаграмма показывает атомы в плоскости, с черными стрелками, показывающими, как магнитные спины лежат в плоскости и указывают в противоположных направлениях.
Серые стрелки показывают, как сдвигается магнитный спин атомов при растяжении материала. Предоставлено: Николас Курро, Калифорнийский университет в Дэвисе.Пьезоэлектрические материалы, которые генерируют электрический ток при сжатии или растяжении, знакомы и широко используются: подумайте о зажигалках, которые зажигаются при нажатии переключателя, а также о микрофонах, датчиках, двигателях и всевозможных других устройствах.Теперь группа физиков нашла материал с аналогичным свойством, но для магнетизма. Этот «пьезомагнитный» материал меняет свои магнитные свойства при механической нагрузке.
«Насколько мне известно, пьезомагнитные материалы редко встречаются в природе», — сказал Николас Курро, профессор физики Калифорнийского университета в Дэвисе и старший автор статьи об открытии, опубликованной 13 марта в журнале Nature Communications .
Курро и его коллеги изучали соединение барий-железо-мышьяк, BaFe2As2, которое может действовать как сверхпроводник при температурах около 25 Кельвинов при легировании небольшими количествами других элементов.
Этот тип сверхпроводника на основе железа интересен тем, что, несмотря на то, что он должен быть достаточно холодным, чтобы работать, его можно растянуть в провода или кабели.
BaFe2As2 — это то, что называют «нематическим» кристаллом, потому что его структура проходит фазовый переход, прежде чем становится сверхпроводящим.В случае BaFe 2 As 2 его кристаллическая структура переходит от квадратной к прямоугольной.
Курро и аспиранты Танат Кисиков и Мэтью Лоусон пытались изучить материал методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР), растягивая его, чтобы посмотреть, смогут ли они придать ему прямоугольную форму. К их удивлению, магнитные свойства BaFe 2 As 2 изменились по мере его растяжения.
Материал не является объемным магнитом — спины его атомов чередуются в противоположных направлениях, что делает его антиферромагнетиком.Но они обнаружили, что направление этих магнитных вращений действительно изменяется под воздействием стресса.
«Настоящее удивление состоит в том, что кажется, что направление магнетизма может измениться и выйти из плоскости», — сказал Курро.
На данный момент нет теории, объясняющей эти результаты, сказал Курро. Его лаборатория пытается выяснить, могут ли другие материалы демонстрировать такое же поведение, и могут ли механические деформации влиять на сверхпроводящие свойства материала (эти эксперименты не проводились при температурах, когда BaFe 2 As 2 является сверхпроводником).
Открытие может найти применение в новых способах поиска деформаций в материалах, таких как компоненты самолетов, сказал Курро.
Обнаружена недостающая связь с новой сверхпроводимостью
Дополнительная информация: Т.Кисиков и др.
, Контроль одноосной деформации спиновой поляризации в многокомпонентном нематическом порядке BaFe2As2, Nature Communications (2018). DOI: 10.1038 / s41467-018-03377-8Ссылка : Пьезомагнитный материал изменяет магнитные свойства при растяжении (2018, 16 марта) получено 30 ноября 2020 с https: // физ.org / news / 2018-03-пьезомагнитный-магнитно-магнитные свойства.html
Этот документ защищен авторским правом.
За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.
Frontiers | Физические свойства полупроводниковых / магнитных нанокомпозитов
Введение
Из-за миниатюризации и интеграции множества микроэлектронных устройств, низкоразмерные структуры подвергаются обширным исследованиям с точки зрения простого и недорогого процесса изготовления, а также их специфических свойств.Помимо литографических процедур снизу вверх или сверху вниз, самоорганизация наночастиц также является ключевой темой во многих современных областях исследований. Самоорганизация наночастиц сильно зависит от взаимодействий между ними, что приводит к определенным одно-, двух- или трехмерному расположению.
Чтобы избежать агломерации частиц и в целом их стабилизировать, их покрывают поверхностно-активным веществом. Тип поверхностно-активного вещества определяет взаимодействия между частицами и, таким образом, влияет на результирующую сборку.Дальнейшая возможность самоорганизации частиц определяется шаблоном. Подходящими кандидатами являются пористые материалы, тогда как в большинстве случаев сами шаблоны формируются путем самоорганизации. Помимо, например, протравленных в канавках полимеров (Chou St et al., 1995), пористого оксида алюминия (Masuda and Fukuda, 1995; Masuda et al., 1997) и пористого InP (Gerngross et al., 2013), пористый кремний представляет собой известный и часто используемый материал. Формирование пор самоорганизуется, тем не менее, морфология настраивается в широком диапазоне, и может быть достигнуто даже квазирегулярное расположение (Rumpf et al., 2010а).
Пористый кремний, универсальный материал, который был открыт в середине 1950-х годов (Uhlir, 1956) и широко исследовался в 1990-х годах (Canham, 1990; Lehmann and Gösele, 1991; Koshida and Koyama, 1992; Zhang, 2001).
, в настоящее время по-прежнему часто используется во многих областях исследований. После того, как в 1990 году Кэнхэм показал, что микропористый кремний излучает свет в видимом диапазоне при комнатной температуре из-за квантового ограничения, приложения в оптоэлектронике стали предметом интенсивных обсуждений.Демонстрация электролюминесценции Кошидой в 1995 году продолжила это направление исследований. Параллельные исследования этого материала были связаны с настраиваемой морфологией и пористостью (Föll et al., 2002; Lehmann, 2002), особенно в отношении восприятия различных молекул (Sailor, 1997; Buriak, 2006). После того, как Кэнхэм обнаружил, что пористый кремний является биосовместимым и биоразлагаемым (Canham, 1995), эта область процветала (Anglin et al., 2008; Fernandez-Moure et al., 2014). Благодаря настраиваемой морфологии (Föll et al., 2002) и большой площади поверхности (Buriak, 2006), он применим в различных областях, таких как газовые сенсоры (Boarino et al., 2000), биодатчики (Gupta et al.
, 2013), оптика (Torres-Costa et al., 2005) и многие другие. Диаметр пор может варьироваться от микропористого режима (2–4 нм), мезопористого режима (5–50 нм) и макропористого режима (несколько десятков микрометров). Также представляет интерес его использование в качестве темплатного материала, например, для осаждения различных металлов внутри пор (Fukami et al., 2008; Rumpf et al., 2012а; Gerngross et al., 2013). Еще одним преимуществом этого материала является формирование путем самоорганизации (Kompan, 2003), и, следовательно, во многих случаях можно избежать дорогостоящего и трудоемкого создания наноразмеров с помощью литографии.
Магнитные наноструктуры уже много лет привлекают большое внимание. Они исследуются для использования в магнитных приложениях, таких как магнитное хранилище высокой плотности (Sellmyer and Skomski, 2006; Shin et al., 2012), но также и для биомедицинских приложений (Pankhurst et al., 2003; Тартадж и др., 2003). Возможность регулировки их размера, формы и взаимного расположения исследуется, особенно в отношении магнитных свойств.
Однодоменные (Goya et al., 2003) и суперпарамагнитные (Sinwani et al., 2014) частицы имеют решающее значение во многих сферах. Их включение в матричный материал для определения магнитных свойств или стабилизации также широко распространено. Такие наноструктурированные магнитные материалы обладают совершенно другими свойствами по сравнению с их объемными материалами. Большим преимуществом наноструктурированных материалов является возможность настройки их магнитных свойств за счет их размера, формы и взаимного расположения.
Для изготовления наноструктур (проволок) используются методы с использованием шаблонов для достижения трехмерного расположения таких наноструктур. Такие массивы исследуются, чтобы получить сведения о взаимных взаимодействиях магнитных наноструктур, например, о диполярном взаимодействии (Vazquez et al., 2004) или механизмах перемагничивания (Uhlír et al., 2012). Еще одна ключевая тема — это сочетание наноструктурированных материалов и нанокомпозитов, которые используются для обработки новых материалов с уникальными физическими свойствами (Wen and Krishnan, 2011; Wang and Gu, 2015).
Собственные характеристики материала изменяются из-за уменьшенного размера или состава материала или из-за взаимодействия между наноструктурами. Магнитные полупроводники, которые обычно являются полупроводниками, легированными магнитными ионами, интенсивно исследуются с последнего десятилетия. Основная цель исследования — применимость в спинтронике. Недостатком этих систем является то, что пока их функциональность при комнатной температуре ограничена (Dietl, Ohno, 2014). Тем не менее, есть большой прогресс в выборе используемых материалов, и поэтому ожидания высоки.
Еще один способ объединения полупроводников и магнитных материалов — это встраивание магнитных наноструктур в полупроводниковый шаблон. Это включение может происходить различными способами, например, путем осаждения, инфильтрации, испарения или осаждения атомарного слоя. Осаждение может быть выполнено электрохимическим способом (Rumpf et al., 2014) или химическим способом (Nakamura and Adachi, 2012). Для инфильтрации магнитного материала в пористую структуру обычно используются готовые синтезированные магнитные наночастицы в растворе (Granitzer et al.
, 2010). В следующих нанокомпозитных системах, состоящих из шаблона пористого кремния с нанесенными магнитными наноструктурами, будут рассмотрены. Таким образом, будут подчеркнуты изготовление систем и возникающие различные свойства.
Самоорганизующиеся пористые шаблоны для наплавки металлов
Одним из привлекательных и часто используемых шаблонов, особенно для нанесения металлических наноструктур, является пористый оксид алюминия (Masuda and Fukuda, 1995; Masuda et al., 1997). Расположение пор представляет собой структуру, напоминающую соты, и поры довольно гладкие.Диаметр пор регулируется в диапазоне от примерно 20 нм до нескольких сотен нанометров. В последнее десятилетие магнитные материалы, такие как Ni, Co и Fe, осаждались в таких шаблонах, и полученные магнитные свойства были интенсивно исследованы (Ramazani et al., 2012; Zhang et al., 2013). В последнее время пористые мембраны InP были использованы для осаждения магнитных металлов, тогда как процесс осаждения был исследован с помощью импедансной спектроскопии FFT (Gerngross et al.
, 2014).
Еще одним самоорганизующимся шаблоном является пористый кремний, который также используется для осаждения магнитных или немагнитных металлических структур в поры. Уже в 1990-х годах металл осаждался внутри микропористого кремния, с одной стороны, для улучшения электрического контакта в случае исследований электролюминесценции (Ronkel et al., 1996), а с другой стороны, чтобы влиять на люминесценцию материала (Huang , 1996; Херино, 1997). Мезопористый кремний с ориентированными порами диаметром около 20 нм и толстыми стенками пор около 50 нм использовался в качестве шаблона для осаждения никелевых проволок, которые проявляют магнитную анизотропию из-за своей формы (Гусев и др., 1994). Пористый кремний, образованный в результате самоорганизации, использовался с диаметрами от 25 до 100 нм и соответствующими поровыми расстояниями от 60 до 40 нм для заполнения различными магнитными материалами (Granitzer et al., 2012a). В зависимости от диаметра пор и соответствующего расстояния между порами расположение пор обеспечивает более или менее регулярность.
Квазирегулярное расположение пор может быть достигнуто с диаметром пор от 45 до 100 нм, тогда как меньшие диаметры приводят к более высокой неравномерности (Rumpf et al., 2011). Еще одним подходом к созданию регулярного расположения пор пористого кремния является предварительное формирование рисунка на кремниевой подложке с помощью шаблона из пористого оксида алюминия (Zacharatos et al., 2008, 2009).
Эксперименты
Образование наноструктурированного кремния
В общем, пористый кремний может быть изготовлен с помощью различных процедур, влажного и сухого травления, или другой возможностью является лазерная абляция высокой мощности (Laiho and Pavlov, 1995). Одним из видов процесса сухого травления является реактивное ионное травление (RIE) (Tserepi et al., 2003). Эти методы сухого травления обычно используются для изготовления микропористого люминесцентного пористого кремния, где нет необходимости в регулярном расположении пор. Наиболее распространенными методами являются процессы влажного травления, такие как анодирование, окрашивание или травление с помощью металла.
Ниже кратко рассматриваются эти методы влажного травления, особенно потому, что основным преимуществом этих методов является настраиваемая морфология и создание квазирегулярного расположения пор путем самоорганизации.
Пятновыводящее травление — это метод образования пор без химического воздействия, который уже был описан в 1960 г. (Turner, 1958) и (Archer, 1960). В этом процессе в дополнение к раствору HF добавляется окислитель, такой как раствор азотной кислоты. Большой прогресс в отношении механизма протравливания был недавно достигнут Коласински (2010), который объяснил самоограничивающийся процесс порообразования и показал, что инжекция дырок в валентную полосу кремния инициирует травление и определяет скорость процесса травления в целом. .Используя V 2 O 5 в качестве окислителя, Коласински и Барклай (2013) объяснили стехиометрию реакции.
Результаты также важны для травления с использованием металла, при котором наночастицы металлов (Ag, Au, Pd, Pt) осаждаются на поверхности кремния.
Этот процесс также работает без химического восстановления. Он в основном используется для изготовления кремниевых нанопроволок или макропор. До сих пор в литературе рассматривались модели, в которых отверстия образуются на границе раздела металл / кремний, но это неуместно.Объяснение образования пор было недавно дано Коласински (2014). Металлические частицы заряжаются дырками под действием окислителя, что приводит к возникновению электрического поля, которое способствует образованию пор путем анодирования. В отличие от обычного процесса анодирования в случае травления с помощью металла, анодирование локализовано на отдельных металлических частицах.
Образование пор путем анодного растворения кремниевой пластины приводит к изменяемой морфологии в широком диапазоне, тогда как диаметр пор, расстояние между порами и пористость зависят от типа легирования, плотности легирования, состава электролита и концентрации электролита, как а также от приложенной плотности тока (Föll et al.
, 2002). Чтобы получить прямые поры, растущие перпендикулярно к поверхности с диаметром <100 нм, можно использовать кремний с высоким содержанием примесей n , который анодирован в 10% -ном растворе плавиковой кислоты. Температура ванны соответствует комнатной, а плотность тока поддерживается постоянной на уровне 100 мА / см 2 , что означает, что травление выполняется в условиях прорыва. Полученный диаметр пор составляет около 60 нм, а соответствующее расстояние между порами составляет около 40 нм.На рис. 1 показан вид сверху на сканирующем электронном микроскопе (SEM) типичного шаблона из пористого кремния.
Рис. 1. СЭМ-изображение образца пористого кремния при виде сверху показывает поры со средним диаметром 60 нм и средним расстоянием между порами 40 нм .
Еще одним параметром морфологии пористого кремния является дендритная структура пор. В исследуемом режиме морфологии поры имеют такой дендритный рост (Rumpf et al.