האם אבץ מגנטי?

האם אבץ מגנטי? שאלה זו מתעוררת לעתים קרובות כשמדברים על מתכת רב -תכליתית זו. למרות השימוש הנרחב בו, אבץ אינו מגנטי. בניגוד לברזל או ניקל, המבנה האטומי של אבץ חסר אלקטרונים לא מותאמים, מה שהופך אותו לדיאמי. המשמעות היא שהיא דוחה חלש שדות מגנטיים ולא נמשכים אליהם.

האופי הלא-מגנטי של אבץ הוא בעל ערך ביישומים שונים, במיוחד כאשר יש להימנע מהפרעות מגנטיות. מציפויים עמידים בפני קורוזיה ועד מיגון אלקטרומגנטי באלקטרוניקה, המאפיינים הייחודיים של אבץ הופכים אותו לכיוון בתעשייה המודרנית.

הבנת האופי הלא-מגנטי של האבץ לא רק מבהירה תפיסה שגויה משותפת אלא גם מדגישה את החשיבות של תכונות חומריות מגוונות בטכנולוגיה ו ייצור יציקה למות .

1. מה זה אבץ ומה זה מגנטיות

אבץ, מתכת לבנה כחלחל עם מספר אטומי 30, ממלאת תפקיד מכריע בענפים שונים. שאבץ התגלה במתכונתה המתכתית בשנת 1746 על ידי אנדראס מרגגרף, האבץ הפך להיות הכרחי בחיים המודרניים. על פי הסקר הגיאולוגי האמריקני, ייצור האבץ העולמי הגיע לכ- 13.2 מיליון טון מטרי בשנת 2020, והדגיש את משמעותו בעולם התעשייה.

הבנת התכונות המגנטיות של חומרים חיונית ליישומים רבים, החל מגאדג'טים יומיומיים ועד טכנולוגיות מתקדמות. כשאנחנו מתעמקים במערכת היחסים של אבץ עם המגנטיות, אנו נחשף תובנות מרתקות לגבי אלמנט רב -תכליתי זה ועל מקומו הייחודי בטבלה המחזורית.

2. האופי המגנטי של אבץ

2.1 סיווג אבץ

אבץ נופל בקטגוריית החומרים הדומים. סיווג זה אולי נשמע מורכב, אבל זה פשוט אומר שאבץ מציג דחייה חלשה כאשר הוא נחשף לשדות מגנטיים. המאפיין הדאגגנטי של האבץ מכמת על ידי הרגישות המגנטית שלו, שהוא בערך -1.56 × 10⁻⁵ (יחידות SI ללא ממדים) בטמפרטורת החדר.

2.2 תגובה מגנטית

כאשר הוא נתון לשדה מגנטי חיצוני, התגובה של אבץ שונה לגמרי ממה שאנו צופים בחומרים מגנטיים נפוצים כמו ברזל. במקום להימשך, אבץ מתרחק בצורה חלשה מהמקור המגנטי. ניתן להדגים התנהגות זו בשיטת פאראדיי, שם חתיכת אבץ קטנה שתושעה על ידי חוט דק תדחה מעט כאשר יובא מגנט חזק.

כדי להמחיש התנהגות זו, שקול את הטבלה הבאה בהשוואה בין רגישות מגנטית:

מסוג חומר	(χ)	דוגמאות לרגישות מגנטית
פרומגנטי	חיובי גדול (> 1000)	ברזל (χ ≈ 200,000)
פרמגנטי	חיובי קטן (0 עד 1)	אלומיניום (χ ≈ 2.2 × 10⁻⁵)
Diamagnetic	שלילי קטן (-1 עד 0)	אבץ (χ ≈ -1.56 × 10⁻⁵)

3. מדוע אבץ אינו מגנטי

3.1 מבנה אטומי של אבץ

ניתן לייחס את חוסר התכונות המגנטיות של אבץ לתצורת האלקטרונים שלו. סידור האלקטרונים במעטפת החיצונית של אבץ ממלא תפקיד מכריע בקביעת התנהגותו המגנטית.

תצורת האלקטרונים של אבץ היא [AR] 3D⊃1; ⁰4S⊃2;. המשמעות היא שכל האלקטרונים של האבץ מזווגים, ולא משאירים אלקטרונים לא מותאמים במסלול החיצוני ביותר שלהם. היעדרם של אלקטרונים לא מותאמים הוא המפתח להבנה מדוע אבץ אינו מציג תכונות מגנטיות.

כדי להמחיש זאת, בואו נשווה את תצורת האלקטרונים של אבץ עם זו של אלמנט מגנטי:

של אלמנט	תצורת אלקטרונים	אלקטרונים לא מותאמים
אָבָץ	[AR] 3D⊃1; ⁰4S⊃2;	0
בַּרזֶל	[AR] 3D⁶4S⊃2;	4

3.2 רגע מגנטי באבץ

בגלל האלקטרונים המזווגים המלאים שלו, לאבץ יש רגע מגנטי של אפס. זה מנוגד בחדות לחומרים פרומגנטיים כמו ברזל, שיש להם אלקטרונים לא מותאמים שיכולים להתיישר בשדה מגנטי, ויוצרים רגע מגנטי נטו.

ניתן לחשב את הרגע המגנטי (מיקרו) של אטום באמצעות הנוסחה:

μ = √ [n (n+2)] μb

כאשר n הוא מספר האלקטרונים הלא -מותאמים ו- μb הוא מגנטון Bohr (9.274 × 10⁻⊃2; ⁴ J/t).

לאבץ: n = 0, אז μ = 0 לברזל: n = 4, אז μ ≈ 4.90 מיקרומטר

4. גורמים המשפיעים על התכונות המגנטיות של אבץ

4.1 טוהר וזיהומים

בעוד שאבץ טהור הוא דיאגגנטי, זיהומים יכולים לפעמים לשנות את התנהגותו המגנטית. זיהומים מסוימים עשויים ליצור רגעים מגנטיים מקומיים, מה שעלול להוביל להתנהגות פרמגנטית חלשה. עם זאת, השפעה זו בדרך כלל כה מינימלית עד שהיא נותרה בלתי מורגשת ביישומים יומיומיים.

מחקר שפורסם בכתב העת למגנטיות וחומרים מגנטיים (2018) מצא כי חלקיקי אבץ מסוממים עם 5% מנגן הראה התנהגות פרומגנטית חלשה בטמפרטורת החדר, עם מגנטציה של רוויה של 0.08 EMU/G.

4.2 טמפרטורה

הטמפרטורה ממלאת גם תפקיד בהתנהגותו המגנטית של אבץ. ככל שהטמפרטורה עולה, כל השפעה מגנטית פוטנציאלית עקב זיהומים מופחתת עוד יותר. זה מתרחש מכיוון שאנרגיה תרמית משבשת את יישור האלקטרונים, ומפחיתה כל נטיות מגנטיות קלות.

הקשר בין טמפרטורה לרגישות מגנטית לחומרים דיאמגנטיים כמו אבץ עוקב אחר החוק של קארי:

χ = c / t

כאשר C הוא הקארי קבוע ו- T הוא הטמפרטורה המוחלטת. עבור אבץ, תלות הטמפרטורה חלשה מאוד, עם שינוי של פחות מ- 1% בטווח הטמפרטורה של 100K עד 300K.

5. האם אבץ יכול להיות מגנטי?

5.1 סגסוגת

אמנם אבץ טהור לא יכול להפוך למגנטי, אך סגסוגת אותו עם חומרים פרומגנטיים יכולה ליצור תרכובות עם תכונות מגנטיות. לדוגמה, כמה סגסוגות אבץ משמשות בייצור חיישנים מגנטיים. חשוב לציין כי סגסוגות אלה מציגות תכונות מגנטיות בגלל האלמנטים הנוספים, ולא אבץ עצמו.

דוגמה לסגסוגת מגנטית מבוססת אבץ:

שם	סגסוגת	יישום רכוש מגנטי	סגסוגת
Znfe₂o₄	פריט אבץ	Ferrimagnetic	ליבות מגנטיות, חיישנים

5.2 תנאים מיוחדים

בתנאים מיוחדים מסוימים, תרכובות מבוססות אבץ עשויות להציג מאפיינים מגנטיים:

1. פריט אבץ (znfe₂o₄): תרכובת זו מציגה תכונות פרמגנטיות עקב נוכחות של יוני ברזל. יש לו טמפרטורת קורי של כ- 10 מעלות צלזיוס, שמעליו היא הופכת לפרמגנטית.

2. מבני ננו-תחמוצת אבץ מסוממים: מחקרים שפורסמו בכתב העת מכתבי מחקר ננו-סופי (2010) העלו כי ננו-מבנים של ZnO מסוממים עם 5% קובלט הראו כי פרומגנטיות בטמפרטורה בחדר עם מגנטציה רוויה של 1.7 EMU/G.

6. יישומים המשתמשים באופיו הלא-מגנטי של אבץ

6.1 רכיבים חשמליים

האופי הלא-מגנטי של אבץ הופך אותו ליקר ביישומים חשמליים. זה שימושי במיוחד במגן אלקטרומגנטי, שם הוא יכול לחסום שדות אלקטרומגנטיים מבלי להפוך למגנטיות עצמו. ניתן לכמת את האפקטיביות של אבץ במגן EMI על ידי יעילות המגן שלו (SE), שהיא בדרך כלל סביב 85-95 dB עבור גיליון אבץ בעובי 0.1 מ'מ בגובה 1 ג'יגה הרץ.

6.2 מיגון מגנטי

היכולת של אבץ להדוף מעט שדות מגנטיים הופכת אותו לבחירה מצוינת ליישומי מגן מגנטי. הוא משמש להגנה על ציוד רגיש מפני הפרעות מגנטיות חיצוניות, מה שמבטיח ביצועים מדויקים במכשירים שונים.

טבלה השוואתית של אפקטיביות מיגון לחומרים שונים: יעילות הגנה על

חומרים	(DB) במהירות של 1 ג'יגה הרץ
אָבָץ	85-95
נְחוֹשֶׁת	90-100
אֲלוּמִינְיוּם	80-90

7. השוואת אבץ למתכות מגנטיות ולא מגנטיות

7.1 מתכות מגנטיות

שלא כמו אבץ, מתכות פרומגנטיות כמו ברזל, ניקל וקובלט מציגות תכונות מגנטיות חזקות. חומרים אלה יכולים להיות ממגנטים בקלות ולשמור על המגנטיות שלהם, מה שהופך אותם לחיוניים ליישומים כמו מנועים חשמליים וגנרטורים.

7.2 מתכות אחרות שאינן מגנטיות

אבץ אינו לבד באופיו הלא מגנטי. מתכות נפוצות אחרות כמו נחושת, זהב ואלומיניום גם אינן מציגות תכונות מגנטיות משמעותיות. עם זאת, לכל אחת מהמתכות הללו מערך המאפיינים הייחודי שלה שהופך אותם מתאימים ליישומים שונים.

השוואה בין תכונות ויישומים מגנטיים:

מתכתית	(χ)	יישומי מפתח רגישות מגנטית
אָבָץ	-1.56 × 10⁻⁵	גלוון, סגסוגות, מגן
נְחוֹשֶׁת	-9.63 × 10⁻⁶	חיווט חשמלי, מחליפי חום
זָהָב	-3.44 × 10⁻⁵	תכשיטים, אלקטרוניקה, רפואה
אֲלוּמִינְיוּם	2.2 × 10⁻⁵	תעופה וחלל, בנייה, אריזה

8. מסקנה

בתשובה לשאלה 'האם אבץ מגנטי? ', חשפנו שאבץ טהור אינו מגנטי. אופיו הדאגגנטי פירושו שהוא דוחה חלש שדות מגנטיים ולא נמשך אליהם. מאפיין זה נובע מהמבנה האטומי של אבץ, ובמיוחד היעדר האלקטרונים הלא מותאמים שלו.

בעוד שאבץ עצמו אינו מגנטי, אופיו הלא-מגנטי מוכיח שלא יסולא בפז ביישומים שונים. החל ממגנה על ציוד רגיש ועד לשמש כבסיס לסגסוגות מתמחות, המאפיינים הייחודיים של אבץ ממשיכים להפוך אותו לאלמנט חיוני בטכנולוגיה ותעשייה מודרניים.

הבנת המאפיינים המגנטיים של חומרים כמו אבץ היא קריטית לקידום הטכנולוגיה ומציאת פתרונות חדשניים לאתגרים הנדסיים. ככל שהמחקר נמשך, אנו עשויים לגלות יישומים מרתקים עוד יותר עבור מתכת רב -תכליתית זו, מגנטית או לא.

שאלות נפוצות: אבץ ומגנטיות

1. האם אבץ מגנטי?

   לא, אבץ טהור אינו מגנטי. הוא מסווג כחומר דימאגנטי, מה שאומר שהוא דוחה חלש שדות מגנטיים.

2. האם אבץ יכול להיות מגנטי בשום פנים ואופן?

   אבץ טהור לא יכול להיות מגנטי לצמיתות. עם זאת, כאשר הם מסורגים עם חומרים פרומגנטיים מסוימים או בנוכחות שדות מגנטיים חזקים מאוד, תרכובות מבוססות אבץ עשויות להפגין תכונות מגנטיות חלשות.

3. מדוע אבץ מגנטי?

   אבץ אינו מגנטי בגלל תצורת האלקטרונים שלו. יש לו מעטפת תלת מימד מלאה, וכתוצאה מכך אין אלקטרונים לא מותאמים, הנחוצים להתנהגות פרומגנטית.

4. איך אבץ מתקשר עם מגנטים?

   אבץ דוחה במגנטים חלשים בגלל אופיו היהלי. דחייה זו בדרך כלל חלשה מאוד ולעתים קרובות אינה מורגשת במצבים יומיומיים.

5. האם יש סגסוגות אבץ שהם מגנטיים?

   כן, כמה סגסוגות אבץ יכולות להיות מגנטיות. לדוגמה, סגסוגות מסוימות ברזל אבץ או אבץ-ניקל עשויות להפגין תכונות מגנטיות בגלל האופי הפרומגנטי של ברזל או ניקל.

6. האם לאופי הלא-מגנטי של אבץ יש יישומים מעשיים?

   כֵּן. המאפיין הלא-מגנטי של אבץ הופך אותו לשימושי ביישומים בהם יש למזער הפרעות מגנטיות, כמו למשל ברכיבים אלקטרוניים מסוימים או במגן מגנטי.

7. האם ניתן להשתמש בבדיקת המגנט לזיהוי אבץ טהור?

   בעוד שאבץ לא יימשך למגנט, מבחן המגנט בלבד אינו מספיק כדי לזהות אבץ טהור. מתכות רבות אחרות שאינן מגנטיות יכולות לטעות באבץ. בדיקות נוספות נחוצות לזיהוי מדויק.