È puro nichel magnetico
Mentre l'elemento di metallo di transizione del 28 ° nella tavola periodica, le proprietà magnetiche di Nickel rimangono un mistero, persistendo nella ricerca della scoperta scientifica. Dalla sua scoperta ufficiale nel 18 ° secolo, il comportamento magnetico unico di Nickel ha generazioni perplesse di fisici. Non mostra né il forte ferromagnetismo del ferro né il completo paramagnetismo dell'alluminio. Questa proprietà magnetica "ambigua", da qualche parte nel mezzo, ha portato agli scienziati quasi due secoli per decifrare il suo meccanismo sottostante.
La natura magnetica del puro nichel
Il nichel puro mostra un ferromagnetismo debole a temperatura ambiente, con una resistenza alla magnetizzazione fino a 55 EMU/G e una coercività di circa 100 OE. Questa proprietà gli consente di essere attratto da magneti permanenti pur mantenendo il magnetismo rifatto del ferro. Questa proprietà "morbida magnetica" deriva dalla sua struttura elettronica unica: gli atomi di nichel contengono otto elettroni nei loro orbitali 3D, cinque con spin - su e tre con spin - verso il basso, risultando in un momento magnetico netto che non è completamente cancellato. Quando un gran numero di atomi di nichel si aggrega, questi momenti magnetici formano regioni spontaneamente magnetizzate (domini) attraverso interazioni di scambio. Tuttavia, in assenza di un campo magnetico esterno, i domini sono allineati casualmente e non mostrano magnetismo macroscopico.
Quando viene applicato un campo magnetico esterno, la magnetizzazione di nichel puro mostra tre fasi:
Magnetizzazione reversibile (0-500 OE): le pareti del dominio si muovono lentamente e l'intensità della magnetizzazione è linearmente proporzionale al campo magnetico esterno.
Barkhausen Jump (500-1000 OE): le pareti del dominio si muovono improvvisamente, risultando in un cambio di gradino dell'intensità di magnetizzazione.
Near-saturation (>1000 OE): tutti i domini sono essenzialmente allineati e l'aumento dell'intensità della magnetizzazione rallenta.
Questa caratteristica dà pura perdite di isteresi estremamente basse di nichel in un campo magnetico alternato, con un coefficiente di perdita di corrente parassita solo uno - terzo quello dell'acciaio al silicio, rendendolo un materiale ideale per i dispositivi elettromagnetici a frequenza alti -.
Tre fattori chiave che influenzano le proprietà magnetiche
L'effetto della temperatura sulle proprietà magnetiche
La temperatura Curie del nichel puro è di 631 K (358 gradi). Al di sotto di questa temperatura, mostra il ferromagnetismo, mentre al di sopra di questa temperatura, si trasforma in paramagnetismo. I dati sperimentali mostrano che la suscettibilità magnetica è 3,2 × 10 - 3 a 20 gradi, ma scende bruscamente a 1,8 × 10-4 quando riscaldato a 300 gradi. Questa sensibilità alla temperatura viene utilizzata nei sensori termici: i termistori a base di nichel possono ottenere una precisione di misurazione di 0,1 gradi nell'intervallo da -50 a 200 gradi.
Effetto modellante della struttura cristallina
Il viso - struttura cubica centrata (FCC) di nichel puro a temperatura ambiente gli conferisce una permeabilità magnetica anisotropica. Se magnetizzata lungo la direzione del cristallo [100], la permeabilità magnetica raggiunge 1,2 × 10 - 6 H/m, mentre la direzione [111] è solo 0,8 × 10-6 H/m. Il nichel a cristallo singolo preparato dalla tecnologia di solidificazione direzionale può raggiungere un rapporto di anisotropia magnetica di fino a 1,5: 1, migliorando significativamente l'efficienza di conversione dell'energia dei dispositivi magnetici.
Percorsi di potenziamento in lega
L'aggiunta del 30% di ferro per formare un permalloy (ni - Fe) può aumentare la sua permeabilità magnetica iniziale all'ordine di 10^5, 1.000 volte quella del nichel puro. L'aggiunta del 5% di cobalto a una lega di cobalto -- riduce la sua coercività da 100 OE a 2 OE, rendendolo una scelta migliore per i materiali di registrazione magnetica. Questa strategia di lega consente ai materiali magnetici a base di nichel - per coprire l'intero spettro, dai magneti morbidi ai magneti permanenti.
Quattro tagli - Applicazioni Edge di Magnetic Drive
Proiezione magnetica per calcolo quantistico
Nei qubit superconduttori, le trappole di flusso formate da pellicole sottili di nichel puro possono ridurre il rumore del campo magnetico di 40 dB, consentendo tempi di ritenzione dello stato quantico superiore a 100 μs. Utilizzando uno scudo magnetico basato su nichel - nel computer quantistico di IBM, la fedeltà delle operazioni di gate quantistico è aumentata dal 99,2% al 99,97%. Una rivoluzione del nucleo magnetico in nuova energia
Lo statore del motore del Tesla Model 3 utilizza una lega magnetica morbida {1- di ferro. A una frequenza operativa di 20 kHz, la perdita di ferro viene ridotta da 2,5 W/kg per i tradizionali fogli di acciaio al silicio a 0,8 W/kg, con conseguente efficienza motoria del 98,5% e un aumento del 15% di intervallo.
Navigazione magnetica in biomedicina
Le nanoparticelle di nichel con un diametro di 50 nm generano un effetto termico localizzato in un campo magnetico alternato, consentendo l'ablazione termica precisa delle cellule tumorali. Studi clinici hanno dimostrato che questa terapia con ipertermia a liquido magnetico ha un tasso di guarigione del 72% per il carcinoma epatico e provoca meno danni ai tessuti normali rispetto alla radioterapia tradizionale.
Dalla scoperta del magnetismo del nichel nel 18 ° secolo alla costruzione di magneti quantistici a base di nichel- nel 21 ° secolo, la comprensione dell'umanità del magnetismo del nichel puro ha continuato ad approfondire. Attualmente, gli scienziati stanno esplorando la possibilità di raggiungere lo stoccaggio magnetico di energia zero - manipolando la struttura magnetica topologica di Nickel. Nell'industria, la tecnologia di stampa 3D ha reso realtà la produzione personalizzata di dispositivi magnetici basati su nichel -.
