Чистий нікель магнітний

Як 28 -й елемент перехідного металу в періодичній таблиці, магнітні властивості Нікеля залишаються загадкою, що затримується в пошуках наукового відкриття. З моменту свого офіційного відкриття у 18 столітті унікальна магнітна поведінка Нікеля здивувала покоління фізиків. Він не демонструє ні сильного феромагнетизму заліза, ні повного парамагнетизму алюмінію. Ця "неоднозначна" магнітна властивість, десь між ними, взяла вчених майже два століття, щоб розшифрувати його основний механізм.

Магнітна природа чистого нікелю

Чистий нікель виявляє слабкий феромагнетизм при кімнатній температурі, з міцністю намагніченості до 55 ему/г та примусовості приблизно 100 ОЕ. Ця властивість дозволяє його залучати постійними магнітами, не зберігаючи залишковий магнетизм заліза. Ця "м'яка магнітна" властивість випливає з його унікальної електронної структури: атоми нікелю містять вісім електронів у своїх 3D -орбіталі, п’ять із спіном -} вгору і три з спіном - вниз, що призводить до чистого магнітного моменту, який не повністю скасований. Коли велика кількість атомів нікелю агрегується, ці магнітні моменти утворюють спонтанно намагнічені області (домени) через обмінні взаємодії. Однак за відсутності зовнішнього магнітного поля домени випадково вирівняні і не виявляють макроскопічного магнетизму.

Коли застосовується зовнішнє магнітне поле, намагнітка чистого нікелю демонструє три етапи:

Оборотна намагнітка (0-500 ОЕ): стінки домену повільно рухаються, а інтенсивність намагніченості лінійно пропорційна зовнішньому магнітному полі.

Barkhausen Jump (500-1000 OE): Стіни домену раптово рухаються, що призводить до зміни кроку інтенсивності намагніченості.

Near-saturation (>1000 ОЕ): Усі домени по суті вирівняні, а збільшення інтенсивності намагніченості сповільнюється.

Ця характеристика дає чистого нікелю надзвичайно низьких втрат гістерезису в чергуванні магнітного поля, з коефіцієнтом втрати струму вихру лише один -} третини - кремнієва сталь, що робить його ідеальним матеріалом для високих - частотних електромагнітних пристроїв.

Три ключові фактори, що впливають на магнітні властивості

Вплив температури на магнітні властивості

Температура кюрі чистого нікелю становить 631 К (358 градусів). Нижче цієї температури він демонструє феромагнетизм, тоді як вище цієї температури він перетворюється на парамагнетизм. Експериментальні дані показують, що магнітна сприйнятливість становить 3,2 × 10 - 3 при 20 градусах, але різко падає до 1,8 × 10-4 при нагріванні до 300 градусів. Ця чутливість до температури використовується в термічних датчиках: термістори на основі нікелю можуть досягти точності вимірювання 0,1 градуса в діапазоні від -50 градусів до 200 градусів.

Формування ефекту кристалічної структури

Обличчя - орієнтована кубічна (FCC) структура чистого нікелю при кімнатній температурі надає йому анізотропну магнітну проникність. При намагніченні вздовж напрямку кристала [100] магнітна проникність досягає 1,2 × 10 - 6 год/м, а напрямок [111]-лише 0,8 × 10-6 год/м. Однокристалічний нікель, підготовлений за допомогою технології затвердіння спрямованості, може досягти магнітного співвідношення анізотропії до 1,5: 1, що значно покращує ефективність перетворення енергії магнітних пристроїв.

Легкові шляхи вдосконалення

Додавання 30% заліза для утворення пермаллою (ni - fe) може збільшити його початкову магнітну проникність до порядку 10^5, в 1000 разів перевищує чистий нікель. Додавання 5% кобальту до нікелю - сплав кобальту зменшує його примусово з 100 ОЕ до 2 ОЕ, що робить його найкращим вибором для матеріалів магнітного запису. Ця стратегія сплаву дозволяє нікелю - магнітними матеріалами на основі всього спектру, від м'яких магнітів до постійних магнітів.

Чотири різання - Edge Applications Magnetic Drive

Магнітне екранування для квантових обчислень

У суперпровідних кубітів флюс -пастки, утворені чистими нікелевими тонкими плівками, можуть зменшити шум магнітного поля на 40 дБ, що дозволяє квантовим часом утримання стану, що перевищує 100 мкс. Використовуючи нікель - магнітний щит на квантовому комп'ютері IBM, вірність операцій квантових воріт зросла з 99,2% до 99,97%. Магнітна ядра революція нової енергії

Моторний статор Tesla Model 3 використовує нікель - Залізний м'який магнітний сплав. На робочій частоті 20 кГц втрата заліза знижується з 2,5 Вт/кг для традиційних сталевих листів до 0,8 Вт/кг, що призводить до ефективності двигуна 98,5% та збільшення на 15% в діапазоні.

Магнітна навігація в біомедицині

Наночастинки нікелю з діаметром 50 нм генерують локалізований тепловий ефект у змінному магнітному полі, що дозволяє точну теплову абляцію пухлинних клітин. Клінічні випробування показали, що ця терапія гіпертермії магнітної рідини має 72% вилікування на рак печінки і завдає менше шкоди нормальній тканині, ніж традиційна променева терапія.

Від відкриття магнетизму нікелю у 18 столітті до побудови нікелю - квантових магнітів у 21 столітті розуміння людства магнетизму чистого нікелю продовжує поглиблюватися. В даний час вчені вивчають можливість досягнення нуль - енергетичного магнітного зберігання, маніпулюючи топологічною магнітною структурою нікелю. У промисловості технологія 3D -друку зробила індивідуальне виробництво нікелю - магнітних пристроїв на основі реальності.