Магнитные свойства металлов это

Обновлено: 17.05.2024

Известна железная руда — магнитный железняк. Куски магнитного железняка обладают замечательным свойством притягивать к себе железные и стальные предметы. Это — естественные магниты. Лёгкая стрелка, сделанная из магнитного железняка, всегда поворачивается одним и тем же концом к северному полюсу Земли. Этот конец магнита условились считать северным полюсом, а противоположный ему — южным.

Если железный или стальной стержень привести в соприкосновение с магнитом, стержень сам становится магнитом, сам будет притягивать железные опилки, стальные гвозди. Говорят, что стержень намагничивается.

Намагничиваться способны все металлы, но в разной степени. Очень сильно намагничиваются только четыре чистых металла — железо, кобальт, никель и редкий металл гадолиний. Хорошо намагничиваются также сталь, чугун и некоторые сплавы, не содержащие в своём составе железа, например сплав никеля и кобальта. Все эти металлы и сплавы называют ферромагнитными (от латинского слова «феррум» — железо).

Совсем слабо притягиваются к магниту алюминий, платина, хром, титан, ванадий, марганец. Намагничиваются они так незначительно, что без специальных приборов обнаружить их магнитные свойства нельзя. Эти металлы получили название парамагнитных (греческое слово «пара» означает около, возле).

Висмут, олово, свинец, медь, серебро, золото намагничиваются тоже очень слабо, но они не притягиваются магнитом, а наоборот, очень слабо отталкиваются от него и называются поэтому диамагнитными («диа» по - гречески значит поперёк).

Почему же одни металлы намагничиваются сильно, а другие — слабо?

Рис. 13. Вокруг провода, по которому течёт ток, всегда есть магнитное поле.

Поднесём к медной проволоке, по которой течёт ток от батареи, несколько магнитных стрелок. Стрелки расположатся так, как показано на рисунке 13. Это значит, что на стрелки действуют магнитные силы; другими словами — вблизи проводника с током возникает магнитное поле. Возникновение магнитного поля есть результат движения электрических зарядов — электронов.

Теперь вспомним об атоме. Вокруг центральной части атома — ядра — движутся электроны. Каждый электрон, кроме того, вращается и вокруг собственной оси. Каждый электрон также создаёт на своём пути магнитное поле.

В атомах висмута, олова и других диамагнитных металлов магнитые поля отдельных электронов направлены навстречу друг другу, и действие одного поля уничтожается действием другого. Таким образом, атомы диамагнитного металла не имеют магнитных свойств. Но диамагнитные тела слабо отталкиваются от магнита. Почему же это происходит?

Если какое-нибудь вещество внести в поле магнита, то атомы этого вещества будут равномерно вращаться в магнитном поле; вращение приводит к тому, что атомы получают магнитные свойства, становятся как бы маленькими, очень слабыми магнитиками. Учёные точно рассчитали, что северный полюс каждого атома-магнитика оказывается при этом против северного полюса магнита (рис. 14). А так как одноимённые магнитные полюса от
талкиваются, атом должен отталкиваться магнитом. Именно такой и только такой магнетизм обнаруживается у диамагнитных металлов.

Иное дело — парамагнитные и ферромагнитные металлы. Атомы этих металлов построены так, что отдельные магнитные поля электронов усиливают

Рис. 14. Схема намагничения разных металлов.

Друг друга и каждый атом уже является маленьким магнитиком с двумя полюсами. В чём же разница между этими двумя группами металлов?

В парамагнитных металлах атомы-магнитики расположены совершенно беспорядочно (рис. 14). В магнитном поле атомы тоже начинают вращаться (это общее для всех атомов свойство), и вращение приводит к тому же, что и у диамагнитных металлов. Но диамагнетизм здесь обнаружить не удаётся, так как у парамагнитных атомов есть гораздо более сильные «собственные» магнитные полюса (результаты наложения друг на друга магнитных полей отдельных электронов) и эти полюса будут вести себя обычным образом: северный полюс будет стремиться к южному полюсу магнита, а южный — к северному. Если
бы атомы не совершали теплового движения, они быстро установились бы в полном порядке (северными полюсами к южному полюсу магнита) и парамагнитный металл можно было бы намагнитить так же сильно, как и ферромагнитный. Но при обычных температурах этого не происходит: тепловое движение всё время расшатывает строй атомов, и металл намагничивается очень слабо.

Рис. 15. Границы намагниченных областей в чистом железе.

Иная картина наблюдается в ферромагнитных металлах.

Учёные предполагают, что между атомами ферромагнитных тел действуют особые мощные электрические силы. Благодаря наличию этих сил атомы - магнитики в определённых участках кристалла выстраиваются в строгом порядке и сохраняют свое расположение (рис. 14). Поэтому в кристаллах железа, кобальта, никеля и гадолиния есть отдельные скопления атомов, сотни миллиардов атомов, магнитные полюса которых расположены одинаково. Такие самопроизвольно намагниченные скопления называются доменами. Границы их можно видеть в микроскоп, если на поверхность ненамагничен - ного металла навести очень тонкую железную пыль. Пылинки собираются у границ доменов, у полюсов (рис. 15).

Когда железо или другой ферромагнитный металл вносится в магнитное поле, полюса отдельных скоплений постепенно смещаются, пока северные полюса доменов не станут против южного полюса магнита.

Большая заслуга в развитии наших знаний о ферромагнитных явлениях принадлежит советским учёным Н. С. Акулову, Е. И. Кондорскому и другим.

Мы уже отмечали, что тепловое движение мешает атомам-магнитикам выстраиваться в магнитном поле даже при обычных температурах. При нагревании эти «помехи» усиливаются, и чем выше температура, тем труднее намагнитить металл. Для каждого ферромагнитного металла существует определённая температура, при которой он уже становится парамагнитным. Эти температуры в честь открывшего их физика Пьера Кюри названы точками Кюри. Для кобальта точка

Кюри — около 1000°, для железа — примерно 750°, а для никеля — 360°.

Рис. 16. Схема электромагнита.

Ферромагнитный металл намагничивается в магнитном поле. Это не значит, что для получения магнита обязательно нужен естественный магнит. Получить магнит можно и с помощью электрического тока. Если железный стержень обмотать изолированной проволокой, а затем пропускать по ней ток, стержень (сердечник) намагнитится (рис. 16). Полученный таким путём магнит называют электромагнитом. Как только ток в проволоке прекращается, электромагнит теряет свою силу — железо почти полностью размагничивается. Это свойство электромагнита весьма денно в тех случаях, когда действие магнитной силы необходимо лишь на определённое время.

Электромагниты применяются очень широко. Электромагнит — необходимая деталь телеграфного аппарата, телефона, электрического звонка, динамомашины, электромотора, электромагнитного подъёмного крана.

Если сердечник электромагнита сделать не из железа, а из стали, то после выключения тока магнитные свойства не исчезнут, сталь не размагнитится: строение этого сплава неоднородно, и поэтому восстановление прежнего беспорядка в расположении полюсов отдельных доменов затруднено. Железо легче намагнитить, чем сталь, легче его и размагнитить. Поэтому сердечники электромагнитов делаются именно из железа, а на изготовление постоянных магнитов идёт сталь.

Постоянные магниты необходимы для изготовления компасов, радиорепродукторов, различных измерительных электроприборов и т. д. Они делаются обычно из высокоуглеродистой стали. Теперь начинают применяться постоянные магниты из нового сильно намагничивающегося сплава м а г н и к о, который состоит из кобальта, никеля, меди, алюминия и железа. Магнико создан советскими металловедами А. С. Займовским и Б. Г. Лившицем.

Свойства металлов

Металлы, это группа элементов, в виде простых веществ, обладающих характерными металлическими свойствами, такими, как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность, ковкость и металлический блеск. В данной статье все свойства металлов будут представлены в виде отдельных таблиц.

Свойства металлов

Свойства металлов делятся на физические, химические, механические и технологические.

Физические свойства металлов

К физическим свойствам относятся: цвет, удельный вес, плавкость, электропроводность, магнитные свойства, теплопроводность, теплоемкость, расширяемость при нагревании.

Удельный вес металла — это отношение веса однородного тела из металла к объему металла, т.е. это плотность в кг/м 3 или г/см 3 .

Плавкость металла — это способность металла расплавляться при определенной температуре, называемой температурой плавления.

Электропроводность металлов — это способность металлов проводить электрический ток, это свойство тела или среды, определяющее возникновение в них электрического тока под воздействием электрического поля. Под электропроводностью подразумевается способность проводить прежде всего постоянный ток (под воздействием постоянного поля), в отличие от способности диэлектриков откликаться на переменное электрическое поле колебаниями связанных зарядов (переменной поляризацией), создающими переменный ток.

Магнитные свойства металлов характеризуются: остаточной индукцией, коэрцетивной силой и магнитной проницаемостью.

Теплопроводность металлов — это их способность передавать тепло от более нагретых частиц к менее нагретым. Теплопроводность металла определяется количеством теплоты, которое проходит по металлическому стержню сечением в 1см 2 , длиной 1см в течение 1сек. при разности температур в 1°С.

Теплоемкость металлов — это количество теплоты, поглощаемой телом при нагревании на 1 градус. Отношение количества теплоты, поглощаемой телом при бесконечно малом изменении его температуры, к этому изменению единицы массы вещества (г, кг) называется удельной теплоёмкостью, 1 моля вещества — мольной (молярной).

Расширяемость металлов при нагревании.Все металлы при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Степень увеличения или уменьшения первоначального размера металла при изменении температуры на один градус характеризуется коэффициентом линейного расширения.

Химические свойства металлов

К химическим — окисляемость, растворимость и коррозионная стойкость.

Окисление металлов — это реакция соединения металла с кислородом, сопровождающаяся образованием окислов (оксидов). Если рассмотреть окисляемость шире, то это реакции, в которых атомы теряют электроны и образуются различные соединения, например, хлориды, сульфиды. В природе металлы находятся в основном в окисленном состоянии, в виде руд, поэтому их производство основано на процессах восстановления различных соединений.

Растворимость металлов — это их способность образовывать с другими веществами однородные системы — растворы, в которых металл находится в виде отдельных атомов, ионов, молекул или частиц. Металлы растворяются в растворителях, в качестве которых выступают сильные кислоты и едкие щелочи. В промышленности наиболее часто используются: серная, азотная и соляные кислоты, смесь азотной и соляной кислот (царская водка), а также щелочи — едкий натр и едкий калий.

Механические свойства металлов

К механическим — прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность.

Прочностью металла называется его способность сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь.

Твердостью металлов называется способность тела противостоять проникновению в него другого, более твердого тела.

Упругость металлов — свойство металла восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызвавших изменение формы (деформацию).

Вязкость металлов — это способность металла оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) внешним силам. Вязкость — свойство обратное хрупкости.

Пластичность металлов — это свойство металла деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия сил. Пластичность—свойство обратное упругости.

Технологические свойства металлов

К технологическим — прокаливаемость, жидкотекучесть, ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием.

Прокаливаемость металлов – это их способность получать закаленный слой определенной глубины.

Жидкотекучесть металлов — это свойство металла в жидком состоянии заполнять литейную форму и воспроизводить ее очертания в отливке.

Ковкость металлов —это технологическое свойство, характеризующее их способность к обработке деформированием, например, ковкой, вальцеванием, штамповкой без разрушения.

Свариваемость металлов — это их свойство образовывать в процессе сварки неразъемное соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией производимого изделия.

Обрабатываемость металлов резанием — это их способность изменять геометрическую форму, размеры, качество поверхности за счет механического срезания материала заготовки режущим инструментом. Обрабатываемость металлов зависит от их механических свойств, в первую очередь прочности и твердости.

Современными методами испытания металлов являются механические испытания, химический анализ, спектральный анализ, металлографический и рентгенографический анализы, технологические пробы, дефектоскопия. Эти испытания дают возможность получить представление о природе металлов, их строении, составе и свойствах, а также определить качество готовых изделий.

Какие металлы не магнитятся и почему?

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.

Магнитные стали и сплавы. Твердые и мягкие стали

Среди металлов есть такие, которые обладают свойствами намагничивания. К ним относятся железо, никель и кобальт. Гадолиний приобретает ферромагнитные свойства при температуре ниже 0 о С. При добавлении в сплав этих элементов получается магнитная сталь. Кроме того, они характеризуются наличием остаточной индукции и коэрцитивной силы.

Магнитные стали и сплавы

Все сплавы, обладающие магнетизмом, можно разделить на 2 вида:

Твердые стали соответствуют ГОСТ 6862-71 и из них производят постоянные магниты. Для этого используют высокоуглеродистые вещества, легированные хромом или хромом и кобальтом.

Сплавы на основе железа также можно использовать для производства магнитов постоянного поля. Примером может стать материал альнико, где 54% составляет железо.

Магнитомягкие - так по-другому называют электротехнические стали. Они должны соответствовать ГОСТ 21427-75. Такие магнитные стали применяют для работы в переменных полях, там, где происходит намагничивание без перерыва. Магнитотвердые материалы владеют существенной остаточной индукцией, высокой коэрцитивной силой. Малая магнитная проницаемость становится дополнительным свойством сплава.

Из материала изготавливают сердечники катушек электромагнитов и трансформаторов. Для этого подходят кремнистые и низкоуглеродные сплавы.

Магнитную сталь маркируют четырехзначным числом. Первое число определяет структуру и вид прокатки. Второе — содержание кремния. Третье число определяет тепловые потери, четвертое - код нормируемого параметра.

Для работы в переменных полях можно использовать магнитную сталь на основе железа или никеля. Примером такого материала является альсифер.

Ферриты

Для сокращения электрических потерь используют повышение удельного сопротивления. Магнитная сталь играет важную роль в современном производстве. Большим сопротивлением обладают магнитные материалы — ферриты.

Ферриты получают из оксидов методом порошковой металлургии. Такие материалы обладают свойствами ферромагнетика и диэлектрика, что позволяет их использовать там, где применяются высокие и сверхвысокие частоты.

Себестоимость ферритных сердечников ниже, чем остальных, благодаря автоматизации производства. Сплавы можно подразделить на 4 группы:

спеченные;
деформируемые;
литые;
прессмагниты.

Сплавы

Магнитная сталь для постоянного магнита должна обладать достаточным объемом углерода, который находится в твердом растворе. Такие сплавы называются деформируемыми. Самыми простыми и дешевыми считаются высокоуглеродистые материалы. Добавка кобальта увеличивает магнитные свойства стали.

К литым относятся сплавы на основе Fe—Ni—A1. Более 80% магнитов изготовляется из такого материала. Самые качественные сплавы этой группы обладают очень мощным магнетизмом. Они отличаются от углеродистой и хромистой магнитной стали.

Маленькие магниты производят методом спекания. Для этого потребуется никель, алюминий и железо высокой чистоты. Они славятся повышенной твердостью. Таким методом создают магниты из магнитотвердых ферритов. Наибольшую популярность получили бариевые ферриты из-за высоких магнитных свойств и приемлемой цены.

Читайте также: