Czy brąz jest magnetyczny?

Brąz jest jednym z najstarszych i najbardziej wszechstronnych materiałów ludzkości, którego historia sięga ponad 5000 lat wstecz do zarania cywilizacji. Ten kultowy stop miedzi ma przyciągający wzrok brązowawy odcień i został wykorzystany we wszystkim, od starożytnej broni po nowoczesne elementy morskie. Na przestrzeni wieków metalurgów i naukowców nurtowało jednak jedno pytanie: czy brąz jest magnetyczny?

W tym kompleksowym przewodniku, jako profesjonalista producent magnesów neodymowychOdkryjemy prawdę kryjącą się za magnetycznymi właściwościami brązu. Dowiesz się, co nadaje metalom ich magnetyzm, dlaczego brąz przeczy temu trendowi i jak możesz przetestować przedmioty z brązu pod kątem przyciągania lub odpychania magnetycznego. Na koniec uzyskasz ostateczną naukową odpowiedź na to odwieczne pytanie.

Dlaczego niektóre metale są magnetyczne, a inne nie?

Magnetyzm wynika z unikalnego ruchu elektronów w różnych materiałach. Upraszczając, każdy elektron obraca się wokół własnej osi i krąży wokół jądra atomu. Generuje to niewielkie pole magnetyczne.

W większości materiałów orientacja tych niewielkich pól magnetycznych jest przypadkowa. Są one skierowane w każdym możliwym kierunku, wzajemnie się znosząc. Jednak w materiałach ferromagnetycznych, takich jak żelazo, pola spontanicznie ustawiają się równolegle do siebie, nawet bez obecności zewnętrznego magnesu. Generuje to ogólne pole magnetyczne, które pozwala tym metalom przywierać do magnesów.

Ale co sprawia, że określone metale są ferromagnetyczne, podczas gdy inne, takie jak brąz, nie są? Odpowiedź tkwi w niesparowanych elektronach.

Rola niesparowanych elektronów

Gdy elektrony okrążają jądra atomów, zwykle łączą się w pary, a ich spiny są skierowane w przeciwnych kierunkach. To anulowanie neutralizuje jakikolwiek magnetyzm.

Jednak metale przejściowe i metale ziem rzadkich zawierają niesparowane elektrony w swoich zewnętrznych powłokach orbitalnych. To właśnie te niesparowane elektrony pozwalają na wyrównanie pól magnetycznych metali, zamiast neutralizować się nawzajem.

Trzy metale o największej liczbie niesparowanych elektronów to żelazo, kobalt i nikiel. To nie przypadek, że te trzy metale i ich stopy wykazują najsilniejszy ferromagnetyzm.

Czy brąz jest magnetyczny? Krótka odpowiedź

Brąz jest generalnie niemagnetyczny i składa się głównie z miedzi (diamagnetycznej) i cyny (paramagnetycznej). Ponieważ jednak udział paramagnetyzmu cyny jest bardzo mały, brąz należy uznać za praktycznie niemagnetyczny. W związku z tym, nawet jeśli niektóre stopy brązu zawierają wyłącznie śladowe ilości niklu, który jest magnetyczny, stop pozostaje zasadniczo niemagnetyczny. Ten aspekt brązu nadaje się do kilku zastosowań, w których mogą występować zakłócenia magnetyzmu. 

Dlaczego brąz nie ma magnetycznego przyciągania

Teraz, gdy już rozumiesz, dlaczego żelazo może przyczepić się do magnesu na lodówce, możesz zastanawiać się, dlaczego uniwersalny brąz tego nie robi. W końcu, czy ten klasyczny stop nie powinien wykazywać pewnego magnetyzmu?

Przyczyna leży w składzie brązu i konfiguracji elektronowej.

Niemagnetyczne komponenty z brązu

Tradycyjnie brąz zawiera 88-95% miedzi i 5-12% cyny. Żaden z tych pierwiastków nie ma niesparowanych elektronów w swoich zewnętrznych powłokach.

Miedź ma wypełnioną zewnętrzną powłokę elektronową, podczas gdy cyna ma dwa samotne elektrony, które wirują w przeciwnych kierunkach. Niweluje to jakikolwiek magnetyzm. Bez niesparowanych elektronów generujących pola magnetyczne, żaden z metali nie wykazuje ferromagnetyzmu.

To wyjaśnia, dlaczego miedź i cyna same w sobie są niemagnetyczne. Ale co ciekawe, po połączeniu w brąz, stop również pozostaje niemagnetyczny.

Utrzymanie niemagnetyzmu w stopie

Można by się spodziewać, że połączenie miedzi i cyny może generować pewien ogólny magnetyzm. Ale metaliczne wiązanie brązu zachowuje niemagnetyczne właściwości składników.

Atomy miedzi przekazują swoje elektrony zewnętrznej powłoki atomom cyny. Tworzy to symetryczną, niemagnetyczną równowagę wolnych elektronów w stopie. Podczas gdy elektrony cyny stają się niesparowane, przemieszczają się równomiernie między dodatnimi jonami miedzi w "morzu elektronów". Ponieważ elektrony są nadal zrównoważone, nie może powstać magnetyzm.

Kiedy brąz może stać się magnetyczny?

Podczas gdy tradycyjny brąz z kombinacją miedzi i cyny pozostaje uparcie niemagnetyczny, nietypowe stopy zawierające żelazo, kobalt lub nikiel mogą wykazywać magnetyzm. W jaki sposób pierwiastki stopowe sprawiają, że brąz staje się magnetyczny?

Żelazny brąz

Niektóre starożytne brązy zawierały żelazo, pochodzące z zanieczyszczeń rudy lub celowo dodane. Ale czy ten żelazny brąz był magnetyczny? Zaskakujące jest to, że generalnie odpowiedź brzmi "nie".

Niewielkie ślady żelaza, które dostały się do tych wczesnych stopów, były niewystarczające do wywołania magnetyzmu. Dodatkowo, metaliczne wiązania brązu sprawiały, że atomy żelaza były zbyt odizolowane, by wyrównać swoje pola magnetyczne i wygenerować przyciąganie. Jeśli jednak do stopu dostała się wystarczająca ilość żelaza, mógł pojawić się magnetyzm.

Nowoczesne brązy żelazne wykorzystują ten fakt. Dzięki zawartości około 5-10% żelaza wykazują one lepsze właściwości magnetyczne. Wyższa zawartość żelaza umożliwia tworzenie domen magnetycznych przy jednoczesnym zachowaniu przydatnych właściwości brązu.

Brąz niklowy

Brązy niklowe zachowują się podobnie do stopów żelaza. Tradycyjny brąz jest odporny na korozję w warunkach nieutleniających. Jednak w zastosowaniach takich jak śruby napędowe, utleniająca woda morska szybko degraduje stop. Niewielki dodatek niklu około 5-10% generuje ochronną powłokę. tlenek niklu zapobiegając korozji.

Podobnie jak w przypadku żelaza, taka zawartość niklu jest niewystarczająca do wytworzenia magnetyzmu. Jednak pewna migracja niklu może stopniowo wyrównywać lokalne pola magnetyczne, jeśli stop ulegnie korozji. Powoduje to niewielkie przyciąganie do magnesów w niszowych warunkach.

Dodatkowe elementy stopowe

Brązy aluminiowe i manganowe również opierają się na odpornych na korozję tlenkach powierzchniowych, co czyni je słabo magnetycznymi, jeśli z czasem dojdzie do erozji. Niektóre brązy fosforowe mogą wykorzystywać śladowe pierwiastki ferromagnetyczne, takie jak żelazo i kobalt, w celu usunięcia zanieczyszczeń tlenowych podczas produkcji. Może to powodować lekkie przyciąganie magnetyczne.

Ogólnie rzecz biorąc, standardowy brąz cynowo-miedziowy pozostaje niemagnetyczny pomimo niewielkich ilości pierwiastków stopowych. Dopiero po dodaniu znacznych ilości metali ferromagnetycznych stop brązu może stać się odpowiednio magnetyczny.

Testowanie stopów brązu i miedzi pod kątem magnetyzmu

Teraz, gdy rozumiesz naukę stojącą za sporadycznym magnetyzmem brązu, możesz chcieć przetestować własne artefakty ze stopu miedzi. Oto kilka prostych metod sprawdzania zachowania magnetycznego brązu i innych przedmiotów:

Test pływalności

Ten test pozwala sprawdzić magnetyzm dowolnego małego przedmiotu z brązu, takiego jak biżuteria, monety lub przedmioty rzemieślnicze. Potrzebna będzie miska z płaskim dnem, woda i mały magnes na lodówkę.

Najpierw napełnij miskę wodą, pozostawiając 1 cal/2,5 cm przestrzeni poniżej krawędzi. Następnie ostrożnie umieść przedmiot na powierzchni wody. Jeśli zatonie, spróbuj użyć mniejszego przedmiotu lub dodaj tratwę ze spinacza.

Przytrzymaj magnes centymetr nad pływającym przedmiotem i powoli opuść go pionowo w kierunku powierzchni. Jeśli testowany obiekt wyskoczy z wody lub popędzi na spotkanie z magnesem, wykazuje ferromagnetyzm. Jeśli jednak napięcie powierzchniowe wody zatrzyma przedmiot w miejscu, w którym leży, gdy zbliżasz magnes, brąz nie ma przyciągania magnetycznego.

Metoda ta izoluje badany przedmiot od wszelkich metali zakłócających, wyraźnie ujawniając nawet łagodny magnetyzm.

Metoda Quick-Pick

Jeśli chcesz szybko przetestować większe przedmioty lub rzeźby z brązu, wypróbuj technikę szybkiego wybierania. Przytrzymaj bezpiecznie magnes i delikatnie dotknij jego spodu do powierzchni z brązu pod kątem 45°. Powoli przesuwaj go, utrzymując kontakt.

Jeśli magnes bez wysiłku przesuwa się po brązie, nie występuje przyciąganie magnetyczne. Jeśli jednak magnes łapie i ciągnie, wskazuje to na obszary o niewielkim magnetyzmie. Można to zauważyć wokół skorodowanych części lub połączonych części, jeśli zawierają żelazo lub nikiel.

Aby zwiększyć czułość bez zarysowań, przyklej warstwę pianki na spodzie magnesu. Amortyzuje to kontakt i sprawia, że nawet słabe przyciąganie magnetyczne jest widoczne.

Magnetyczna folia do podglądu

Folia magnetyczna oferuje najbardziej naukowe podejście do oceny artefaktów z brązu pod kątem magnetyzmu. Wystarczy mocno przykleić arkusz do powierzchni testowej z brązu. Następnie umieść magnes pod tylną stroną folii.

Wytrzymała folia octanowa natychmiast ujawni wszelkie obszary magnetyczne na brązie poprzez wyrównanie osadzonych mikroskopijnych odłamków niklu wewnątrz materiału. Tam, gdzie odłamki skupiają się w solidne czarne linie i grupy, brąz ma mierzalny magnetyzm.

I odwrotnie, jeśli na powierzchni pojawią się tylko przypadkowe ciemne plamki, można bezpiecznie stwierdzić, że stop nie ma znaczącego przyciągania lub odpychania magnetycznego. Metoda ta wskazuje również wszelkie gorące punkty zanieczyszczeń ferromagnetycznych na bardziej nowoczesnych elementach obrabianych maszynowo.

Kluczowe wnioski na temat magnetyzmu brązu

• Tradycyjny brąz cynowo-miedziowy nie wykazuje właściwości magnetycznych ze względu na sparowane, znoszące się elektrony. Miedź i cyna są również metalami niemagnetycznymi.
• Pierwiastki stopowe, takie jak żelazo, nikiel, mangan, aluminium i kobalt, mogą indukować łagodny magnetyzm, jeśli ich stężenie przekracza około 5% brązu.
• Korozja na przestrzeni dziesięcioleci i stuleci może odkopać zakopane dodatki ferromagnetyczne, powodując obszary lekkiego magnetyzmu w starożytnych brązach.
• Brązy można testować pod kątem magnetyzmu za pomocą flotacji, szybkiego przesuwania magnesu lub folii magnetycznej.

Przez tysiące lat ludzkiej cywilizacji brąz zaśmiecał pola bitew, zdobił rodziny królewskie i wzmacniał imperia na całym świecie. Pomimo swojej długiej historii, ten wszechstronny stop nadal dobrze nam służy w czasach współczesnych.

Rozwikłanie tajemnicy sporadycznego magnetyzmu brązu rzuca światło na podstawową naukę o stopach metali. Umożliwia również przetestowanie własnych bezcennych artefaktów i skarbów pod kątem tej najtrwalszej z właściwości - przyciągania lodestone.

Zanurz się więc w swoich magazynach i odzyskaj stare pamiątki z brązu dziadka lub ten artefakt odkryty na twoim podwórku. Korzystając z tych testów magnetycznych, możesz odblokować bogate historie związane z podróżą brązu w czasie.