Czy aluminium jest magnetyczne? Nie w taki sposób, w jaki myśli większość ludzi. Magnes na lodówkę nie przyklei się do puszki aluminiowej, ramy okiennej ani blachy, i żadna ilość zginania, obróbki lub obróbki na zimno tego nie zmieni. Technicznie rzecz biorąc, aluminium jest paramagnetyczne: bardzo silne pole magnetyczne oddziałuje na nie bardzo słabo, ale efekt jest tak mały, że do jego zmierzenia potrzebny jest sprzęt laboratoryjny.
Haczyk polega na tym, że aluminium jest doskonałym przewodnikiem elektrycznym. Przesunięty silny magnes w jego pobliżu — aluminium odpycha się przez indukowane prądy wir. To zachowanie wyjaśnia klasyczną demonstrację „magnes powoli spada w tubie aluminiowej". To również sposób, w jaki zakłady recyklingu sortują puszki ze złomu, i dlaczego aluminium pojawia się wszędzie w silnikach elektrycznych i transformatorach, mimo że w ogóle nie jest magnetyczne.
Jesteśmy Wuxi Zhongxin Special Steel (ZHX Steel). Większość tego, co wysyłamy, to stal krzemowa zorientowana ziarnami i stal krzemowa niezorientowana, materiał, który czyni rdzeń transformatora lub wirnik silnika tak magnetycznym, jak to możliwe. Aluminium zwykle siedzi bezpośrednio obok naszej stali w gotowej maszynie, wykonując przeciwne zadanie. Zobaczenie, jak te dwa materiały się różnią, to najszybszy sposób na zrozumienie obu.
Kluczowe wnioski
- Aluminium jest paramagnetyczne, a nie ferromagnetyczne. Jego objętościowa podatność magnetyczna wynosi około +2,2 × 10⁻⁵, więc względna przenikalność magnetyczna wynosi około 1,00002, co jest ledwie odróżnialne od powietrza.
- Magnes stały nie przylgnie do czystego aluminium ani do standardowych stopów aluminium (seria 1xxx do 7xxx), niezależnie od stanu wytrzymałościowego.
- W przeciwieństwie do stali nierdzewnej 304, aluminium nie staje się magnetyczne po obróbce na zimno. Nie posiada fazy krystalicznej, która mogłaby przekształcić się w ferromagnetyczną.
- Magnes, który przylega do „aluminium", prawie zawsze wskazuje na coś innego: śrubę stalową, stalowe jądro pod powłoką aluminiową, zanieczyszczenie żelazem lub część, która po prostu nie jest aluminium.
- Aluminium silnie reaguje na zmieniające się pole magnetyczne, ponieważ dobrze przewodzi elektryczność (około 61% IACS). Separatory z prądami wirowymi, hamowanie indukcyjne i demo magnesu spadającego wolno opierają się na tej właściwości, a nie na magnetyzmie.
- W urządzeniach elektrycznych aluminium przewodzi prąd (uzwojenia transformatorów, toczone pręty wirnika silnika), podczas gdy stal krzemowa przenosi strumień magnetyczny. Żaden z tych materiałów nie może wykonać zadania drugiego.
Krótkie podstawy fizyki: dlaczego aluminium nie utrzymuje magnesu
Aby metal był silnie magnetyczny (ferromagnetyczny), muszą być spełnione dwa warunki. Jego atomy muszą mieć niesparowane spiny elektronów, które działają jak małe magnesy. Sieć krystaliczna musi również ustawiać te spiny w tym samym kierunku co sąsiednie, w regionach zwanych domenami magnetycznymi. Żelazo, nikiel i kobalt spełniają oba warunki w temperaturze pokojowej, dlatego są podstawą prawie każdego stopu magnetycznego, łącznie ze stalą krzemową, którą wytwarzamy.
Aluminium nie spełnia drugiego warunku. Jego trzy elektrony walencyjne nie pozostają związane z poszczególnymi atomami. Łączą się w wspólne „morze" elektronów przewodzenia w całym metalu. Po przyłożeniu pola magnetycznego mała dodatkowa część tych wolnych elektronów orientuje się zgodnie z nim — efekt, który fizycy nazywają paramagnetyzmem Pauliego. Gdy usuniesz pole, orientacja natychmiast znika. Nic się nie blokuje, żadne domeny się nie tworzą i nie ma nic, co magnes mógłby chwycić.
Liczby pokazują, jak mały jest ten efekt. Podręcznik CRC kataloguje podatność magnetyczną aluminium na około +2,2 × 10⁻⁵ w temperaturze 20°C, co daje względną przenikliwość około 1,00002. Dla porównania, blacha elektrotechniczna o ziarnie zorientowanym osiąga względne przenikliwości rzędu dziesiątek tysięcy wzdłuż kierunku walcowania. Dlatego rdzeń transformatora przenosi strumień tak łatwo i dlaczego żaden inżynier nie budowałby go z aluminium.
Paramagnetyk, diamagnetyk, ferromagnetyk: gdzie znajduje się aluminium
Każdy materiał reaguje na pole magnetyczne w pewien sposób. Wielkość odpowiedzi różni się o wiele rzędów wielkości. Oto jak aluminium porównuje się z innymi metalami, o które najczęściej pytają odbiorcy:
| Materiał | Klasa magnetyczna | Przybliżona podatność (χ, objętość SI) | Czy magnes lodówkowy się przyklei? |
|---|---|---|---|
| Aluminium | Paramagnetyk | +2,2 × 10⁻⁵ | Nie |
| Miedź | Diamagnetyk | −9,6 × 10⁻⁶ | Nie |
| Stal nierdzewna 304 (wyżażona) | Paramagnetyk (austenityczna) | ~10⁻³ do 10⁻² | Nie, lub słabo w miejscach na zimno deformowanych |
| Stal nierdzewna 430 | Ferromagnetyk | Bardzo duża | Tak |
| Stal węglowa | Ferromagnetyk | Bardzo duża | Tak |
| Stal krzemowa (elektryczna) | Miękki ferromagnetyk | Bardzo duża; przepuszczalność zaprojektowana na być możliwie najwyższą | Tak, silnie |
Z tej tabeli wynika kilka istotnych wniosków.
Po pierwsze, aluminium i miedź są w pewnym sensie lustrzanym odbiciem: aluminium jest przyciągane bardzo słabo do pola, a miedź jest odpychana z niego bardzo słabo. W skali codziennej oba efekty są bliskie zeru. Dlatego właśnie oba metale są wymienne w testach magnetycznych i w większości procesów sortowania.
Po drugie, różnica między „paramagnetykiem" a „ferromagnetykiem" jest ogromna. To nie jest różnica stopnia, którą można zamknąć silniejszym magnesem. Magnes neodymowy przyłożony do aluminium nadal się nie przyklei, ponieważ siła, którą generuje, jest tysiące razy za słaba, aby utrzymać nawet własny ciężar magnesu.
Jeśli przeczytasz nasz przewodnik dotyczący tego, czy stal nierdzewna jest magnetyczna, zauważysz, że aluminium jest znacznie prostsze. Austenita ze stali nierdzewnej może stać się częściowo magnetyczna, gdy podczas pracy na zimno powstaje martenzyt indukowany odkształceniem. Aluminium nie ma równoważnej przemiany fazowej. Jego struktura centrowana na ścianach sześcianu pozostaje niezmieniona, niezależnie od tego, czy metal jest wyżarzany, walcowany na twardo, ciągnięty w drut czy obrabiany maszynowo. Test magnetykiem na aluminium daje za każdym razem ten sam wynik, o ile część rzeczywiście jest aluminium.
Sztuczka Spadającego Magnesu: Prądy Wichrowiska, a nie Magnetyzm
Upuść silny magnes neodymowy w dół pionowej tuby aluminiowej, a spada powoli, jakby spadał przez miód. Upuść tę samą wielkość zwykłej stali w tę samą tubę, a spada prosto w dół. Na pierwszy rzut oka wygląda to jak dowód, że aluminium jest magnetyczne. Nie jest.
Oto co się faktycznie dzieje. Gdy magnes spada, pole magnetyczne w każdym przekroju tuby nieustannie się zmienia. Zgodnie z prawem Faradaya, zmieniające się pole indukuje krążące prądy elektryczne, zwane prądami wichrowiska, w każdym przewodniku, przez który przechodzi. Zgodnie z prawem Lenza te prądy tworzą własne pole magnetyczne, które przeciwdziała zmianom, które je spowodowały. Wynikiem jest siła hamująca, która rośnie wraz z prędkością magnesu, więc szybko osiąga powolną, stałą prędkość spadania.
Rzeczy, które tutaj się liczą, to przewodnictwo i ruch, a nie magnetyzm:
- Aluminium dobrze przewodzi prąd elektryczny: około 61% przewodnictwa miedzi w skali IACS, przy około jednej trzeciej gęstości. Indukowane prądy są silne, więc hamowanie jest silne.
- Magnes nieruchomy przylegający do aluminium nie indukuje żadnego prądu, zatem nie powstaje siła. Dlatego właśnie magnes po prostu się zsuwą.
- Rura nieprzewodząca (plastik, szkło) nie wywołuje hamowania, niezależnie od siły magnesu.
Ten sam efekt napędza hamulce magnetyczne w kolejkach górskich, tłumiki prądów wirowych w wagach precyzyjnych oraz separatory metali nieżelaznych omówione poniżej.
„Ale mój magnes się do tego przyczepił": Pięć typowych wyjaśnień
Klienci i pracownicy warsztatów czasami donoszą, że magnes przyczepił się do tego, co powiedziano im, że jest aluminium. Ponieważ aluminium nie może stać się ferromagnetyczne, przyczyna zawsze leży w czymś innym niż samo aluminium. Zwykłe podejrzenia:
- Elementy stalowe, złączki lub wzmocnienia. Ramy okienne z aluminium, nadwozia ciężarówek i obudowy często zawierają śruby stalowe, wkładki gwintowane lub ukryte wzmacniające elementy stalowe. Przesuń magnes o kilka centymetrów, a „magnetyzm" znika.
- Podłoże stalowe z wykończeniem aluminium. Stal aluminizowana (arkusz pokryty gorąco aluminium, powszechny w systemach wydechowych i piecach) wygląda jak aluminium, ale pod spodem jest magnetyczną stalą węglową. To samo dotyczy paneli kompozytowych z foliąaluminiową na przodzie i stalowym oparciem.
- Zanieczyszczenie żelazem na powierzchni. Kurz szlifierski, śrut stalowy lub wióry ze pobliskiego obróbki mogą osadzić się w miękkim aluminium i wywołać słaby, nierówny efekt przyciągania. Wytarj lub wytrawiaj powierzchnię i ponownie przetestuj.
- Część wcale nie jest aluminium. Stopy magnezu i odlewy cynkowe są również niemagnetyczne, zatem magnes nie pomoże ci ich rozróżnić od aluminium. Ale lekko szara część ze stali malowana może uchodzić za aluminium, dopóki jej nie podniesiesz lub nie przetestujesz. Masa jest szybkim wskaźnikiem: aluminium ma mniej więcej jedną trzecią gęstości stali.
Jeśli magnes trzyma płaską powierzchnię blachy mocno i równomiernie, prawie na pewno masz do czynienia ze stalą. Potwierdź to świadectwem odbioru lub szybkim pomiarem XRF — to samo podejście weryfikacyjne, które opisujemy dla świadectw odbioru w zamówieniach stali.
Aluminium i stal krzemowa w silnikach i transformatorach
W tym miejscu pytanie przestaje być ciekawostką dla naszych klientów. Otwórz niemal każdy silnik indukcyjny lub transformator rozdzielczy a znajdziesz aluminium i blachę elektrotechniczną obok siebie, każdy wybrany dla właściwości, której brakuje drugiemu.
Wirniki silników indukcyjnych. Standardowy wirnik klatkowy to stos laminacji niezorientowanej stali krzemowej z odlewanym aluminium wlewanym przez szczeliny, tworząc pręty przewodnika i pierścienie czołowe. Stal przenosi obracające się pole magnetyczne. Aluminium przenosi prądy, które to pole indukuje, i te prądy wytwarzają moment obrotowy. Ponieważ aluminium nie jest magnetyczne, nie zwiera ścieżki strumienia. Ponieważ dobrze przewodzi, straty wirnika pozostają do zaakceptowania. (Konstrukcje o wysokiej sprawności czasami przechodzą na odlewane pręty miedziowe, aby zmniejszyć rezystancję, ale aluminium pozostaje wyborem dominującym.)
Uzwojenia transformatorów. Wiele transformatorów rozdzielczych wykorzystuje zamiast miedzi uzwojenia z folii lub paska aluminiowego, głównie ze względu na koszt i wagę. Przewodność aluminium wynosi około 61% IACS w stosunku do 100% miedzi, dlatego uzwojenie wymaga większego przekroju. Wahania cen miedzi w ciągu ostatnich kilku lat skłoniły więcej nabywców do zaakceptowania tego kompromisu. To, co się nie zmienia, to rdzeń: niezależnie od materiału uzwojenia, strumień magnetyczny wciąż przepływa przez stalą krzemową zorientowaną ziarnowo lub stop amorficzny. Uzwojenia aluminiowe mogą nieznacznie powiększyć okno rdzenia, co wpływa na wymiary rdzenia i tonażę stali na jednostkę.
Ekranowanie i strumień rozproszony. Duże transformatory i reaktory czasami wyściełają ścianki zbiornika płytami aluminiowymi lub miedzianymi w celu kontrolowania rozproszonego strumienia rozproszeniowego. Metal nie pochłania strumienia magnetycznie. Prądy wirowe w płycie odpychają pole i trzymają je z dala od zbiornika stalowego, gdzie w innym przypadku powodowałby lokalny nagrzew. Ta sama logika wyjaśnia, dlaczego aluminium działa jako osłona przed elektromagnetycznym zakłóceniami o wysokiej częstotliwości, ale bardzo mało pomaga wobec pól magnetycznych statycznych lub o niskiej częstotliwości. Do ich osłonięcia potrzebujesz materiału o wysokiej przepuszczalności, który przyciąga strumień do siebie.
Praktyczna uwaga dla konstruktorów silników i transformatorów: ponieważ aluminium jest niemagnetyczne, urządzenia do podnoszenia i manipulacji magnetycznego, które pracują na naszych zwojach stali i stosach laminacji, nie będą trzymać części aluminiowe. To brzmi oczywiste, ale ma znaczenie, gdy linia obsługuje oba materiały, na przykład wirniki odlewane metodą ciśnieniową po odlewaniu. Regularnie pojawiają się pytania związane z aluminium w projektach silników trakcyjnych do pojazdów EV i przemysłowych, gdzie klasa laminacji i przewodnik wirnika są wybierane razem.
Jak recyklerzy wykorzystują to do sortowania aluminium
Przetwarzanie złomu jest najwyraźniejszym dowodem na dużą skalę, że aluminium nie jest magnetyczne. Recyklerzy wykorzystują to w dwóch etapach:
- Magnesy naddachy lub bębnowe usuwają frakcję ferromagnetyczną (stal, żelazo i stal nierdzewna ferrytyczna). Aluminium przechodzi prosto pod nimi.
- Separator prądów wirowych następnie wyrzuca aluminium z pozostałej strugi. Rotor z naprzemiennie rozmieszczonymi magnesami trwałymi obraca się z dużą prędkością wewnątrz bębnowego głowicy przenośnika. Szybko zmieniające się pole magnetyczne indukuje prądy wirowe w kawałkach aluminium, miedzi i mosiądzu, a wynikające z tego odbijanie je rzuca na koniec paska, poza область niemagnetycznych szkła, plastiku i drewna.
Aluminium reaguje szczególnie dobrze, ponieważ ma wysoki stosunek przewodnictwa do gęstości: duża siła prądów wirowych na gram materiału. Dostawcy urządzeń raportują współczynniki odzysku w zakresie 90–98% dla mieszanych strumieni odpadów niemagnetycznych. Cały proces byłby niemożliwy, gdyby aluminium było magnetyczne. Byłoby ono po prostu trafiać do stosu materiałów ferromagnetycznych.
Podsumowanie
Glin nie jest magnetyczny w żadnym praktycznym sensie. Jest paramagnetyczny, o podatności około 2 × 10⁻⁵, dlatego magnes się do niego nie przyklei, i w przeciwieństwie do stali nierdzewnej nie staje się magnetyczny poprzez obróbkę na zimno czy przetwarzanie. Jeśli magnes się przyklei, szukaj stalii ukrytej gdzieś: śruby, podłoże powłoki, zanieczyszczenia lub błędnie oznaczoną część.
To, co glin rzeczywiście robi dobrze, to przewodnictwo elektryczne, i dlatego tak silnie reaguje na ruchomy magnes. Ta sama przewodność to powód, dla którego znajduje się obok stali krzemowej w niemal każdym silniku i transformatorze. Glin przewodzi prąd, a stal przewodzi strumień magnetyczny. Jeśli Twój projekt wymaga magnetycznej części tego połączenia, nasze strony produktów CRGO i CRNGO zawierają listę stopni, grubości i powłok, które dostarczamy.
Najczęściej zadawane pytania
Czy magnes przykleja się do glinu?
Nie. Czysty glin i standardowe stopy glinu są paramagnetyczne, o podatności magnetycznej około +2,2 × 10⁻⁵. Przyciąganie jest zbyt słabe, aby utrzymać nawet mały magnes neodymowy na miejscu. Jeśli magnes się przyklei, zwykle przyciąga go stalowe śruby, stalowe podłoże pod powłoką glinu lub zanieczyszczenie żelazem, a nie sam glin.
Czy glin jest paramagnetyczny czy diamagnetyczny?
Paramagnetyczny. Glin ma małą dodatnią podatność magnetyczną spowodowaną paramagnetyzmem Pauliego jego elektronów przewodnictwa, dlatego słabo wciąga się w pole magnetyczne. Miedź natomiast jest diamagnetyczna i słabo się odpycha. W skali codziennej oba efekty są pomijalnie małe, i żaden z metali nie utrzyma magnesu.
Dlaczego magnes spada powoli przez tulejkę aluminiową?
Prądy wirowe, nie magnetyzm. Opadający magnes generuje zmienne pole magnetyczne w ściance tulejki, które indukuje krążące prądy elektryczne. Zgodnie z prawem Lenza prądy te wytwarzają pole magnetyczne przeciwstawiające się ruchowi magnetu, co spowalnia jego opadanie. Efekt wymaga ruchu i dobrego przewodnika elektrycznego, dlatego nieruchomy magnes po prostu ześlizga się z aluminium.
Czy aluminium może stać się magnetyczne?
Nie w wyniku zwykłego przetwarzania. Aluminium nie posiada fazy krystalicznej mogącej przejść w stan ferromagnetyczny, dlatego walcowanie, gięcie, obróbka skrawaniem ani obróbka cieplna nie uczynią go magnetycznym. Różni się to od austenitycznych stali nierdzewnych, takich jak 304, które mogą wykazywać zlokalizowany magnetyzm po pracy na zimno. Część aluminiowa wykazująca właściwości magnetyczne wskazuje na zanieczyszczenie, komponent ze stali lub inny materiał.
Czy papier aluminiowy jest magnetyczny?
Nie. Papier aluminiowy to typowo stop serii 1xxx lub 8xxx i zachowuje się dokładnie jak aluminium masywne: paramagnetyczne i w praktyce niemagnetyczne. Magnes nie przylegnie do niego, lecz silny magnes przesunięty szybko na wcienkiemu papierze może go nieznacznie przesunąć poprzez indukowane prądy wirowe.
Które metale nie są magnetyczne?
Typowe metale niemagnetyczne to aluminium, miedź, mosiądz, brąz, cynk, ołów, cyna, tytan, magnez, złoto, srebro i austenityczne stale nierdzewne (304, 316) w stanie żarzonym. Metale silnie magnetyczne to żelazo i większość stali, nikiel, kobalt i ich stopy, łącznie z ferrytycznymi i martensytowymi stalami nierdzewnymi oraz magnetyczną blachą elektrotechniczną.
Dlaczego używać aluminium w silnikach, jeśli nie jest magnetyczne?
Ponieważ silnik wymaga zarówno materiału magnetycznego, jak i przewodnika. W rotorze silnika asynchronicznego blaszki ze stali krzemowej kierują strumień magnetyczny, podczas gdy odlewane paski aluminiowe przenoszą prądy indukowane, które wytwarzają moment obrotowy. Niemagnetyczna natura aluminium uniemożliwia zakłócanie ścieżki strumienia, a jego przewodność, niska gęstość i odlewalność czynią go opłacalnym przewodnikiem.
Literatura
- Wikipedia — Aluminium
- CRC Handbook of Chemistry and Physics — Magnetic Susceptibility of the Elements and Inorganic Compounds (4-130)
- MRIquestions.com — What is magnetic susceptibility?
- Bunting — Eddy Current Separators for Metal Recovery
- BAS Industrial — Eddy Current vs Magnetic Separation: When to Use Each
- Eaton — Copper vs. Aluminum Conductor (Product Aid PA202008EN)
