Является ли бронза магнитной?

Бронза - один из самых древних и универсальных материалов человечества, насчитывающий более 5 000 лет до зари цивилизации. Этот легендарный медный сплав имеет привлекательный коричневатый оттенок и используется во всем - от древнего оружия до современных морских компонентов. Но один наболевший вопрос продолжает волновать металлургов и ученых на протяжении веков: является ли бронза магнитной?

В этом исчерпывающем руководстве вы, как профессионал неодимовые магниты производительМы раскроем правду о магнитных свойствах бронзы. Вы узнаете, что придает металлам магнетизм, почему бронза не поддается воздействию, и как можно проверить бронзовые предметы на притяжение или отталкивание. В конце вы получите окончательный научный ответ на этот извечный вопрос.

Почему одни металлы магнитные, а другие нет

Магнетизм возникает благодаря уникальному движению электронов в различных материалах. Говоря упрощенно, каждый электрон вращается вокруг своей оси и обращается вокруг ядра своего атома. Это создает небольшое магнитное поле.

В большинстве материалов ориентация этих крошечных магнитных полей случайна. Они направлены во все возможные стороны, отменяя друг друга. Однако в ферромагнитных материалах, таких как железо, поля самопроизвольно выравниваются параллельно друг другу даже без присутствия внешнего магнита. Это создает общее магнитное поле, которое позволяет этим металлам прилипать к магнитам.

Но что делает одни металлы ферромагнитными, а другие, например бронза, нет? Ответ кроется в неспаренных электронах.

Роль неспаренных электронов

Когда электроны огибают ядра своих атомов, они обычно объединяются в пары, причем их спины направлены в противоположные стороны. Такое объединение нейтрализует любой магнетизм.

Однако переходные и редкоземельные металлы содержат неспаренные электроны на своих внешних орбитальных оболочках. Именно эти неспаренные электроны позволяют магнитным полям металлов выравниваться, а не нейтрализовать друг друга.

Три металла с наибольшим количеством неспаренных электронов - железо, кобальт и никель. Не случайно именно эти три металла и их сплавы демонстрируют самый сильный ферромагнетизм.

Является ли бронза магнитной? Краткий ответ

Бронза, как правило, немагнитна и состоит в основном из меди (диамагнетик) и олова (парамагнетик). Однако, поскольку вклад парамагнетизма олова очень мал, бронзу следует считать практически немагнитной. Таким образом, даже если некоторые бронзовые сплавы содержат исключительно следовые количества никеля, который является магнитным, сплав остается практически немагнитным. Этот аспект бронзы позволяет использовать ее в нескольких областях, где возможно вмешательство магнетизма. 

Почему бронза не обладает магнитной притягательностью

Теперь, когда вы понимаете, почему железо может прилипнуть к магниту на холодильнике, вы, возможно, задаетесь вопросом, почему универсальная бронза этого не делает. В конце концов, разве этот классический сплав не должен демонстрировать магнетизм?

Причина кроется в составе и электронной конфигурации бронзы.

Немагнитные компоненты из бронзы

Традиционно бронза содержит 88-95% меди и 5-12% олова. Ни один из этих элементов не имеет неспаренных электронов во внешних оболочках.

У меди заполнена внешняя электронная оболочка, а у олова есть два одиноких электрона, которые вращаются в противоположных направлениях. Это нивелирует любой магнетизм. Поскольку неспаренные электроны не создают магнитного поля, ни один из металлов не демонстрирует ферромагнетизма.

Это объясняет, почему медь и олово сами по себе немагнитны. Но интересно, что при соединении в бронзу сплав также остается немагнитным.

Сохранение немагнитности сплава

Можно было бы ожидать, что сочетание меди и олова может вызвать общий магнетизм. Но металлическая связь бронзы сохраняет немагнитные характеристики составляющих ее элементов.

Атомы меди отдают свои электроны внешней оболочки атомам олова. Это создает симметричный немагнитный баланс свободных электронов в сплаве. В то время как электроны олова становятся неспаренными, они равномерно перемещаются между положительными ионами меди в "море электронов". Поскольку электроны по-прежнему уравновешены, магнетизм не может возникнуть.

Когда бронза может стать магнитной?

В то время как традиционная бронза с ее сочетанием меди и олова остается упрямо немагнитной, необычные сплавы, содержащие железо, кобальт или никель, могут проявлять магнетизм. Как легирующие элементы позволяют бронзе стать магнитной?

Железная бронза

Некоторые древние бронзы содержали железо, либо в виде примесей в руде, либо намеренно добавленное. Но была ли эта железная бронза магнитной? Удивительно, но ответ, как правило, отрицательный.

Крошечные следы железа в этих ранних сплавах были недостаточны для того, чтобы вызвать магнетизм. Кроме того, металлическая связь бронзы удерживала атомы железа слишком изолированными, чтобы они могли выровнять свои магнитные поля и вызвать притяжение. Однако если в сплав попадало достаточно железа, магнетизм мог проявиться.

Современные железные бронзы используют этот факт в своих интересах. При содержании железа около 5-10% они демонстрируют улучшенные магнитные свойства. Повышенное содержание железа позволяет формировать магнитные домены, сохраняя при этом полезные характеристики бронзы.

Никель Бронза

Никелевые бронзы ведут себя так же, как и железные сплавы. Традиционная бронза противостоит коррозии в неокислительных условиях. Но в таких областях применения, как морские гребные винты, окисляющая морская вода быстро разрушает сплав. Небольшая добавка никеля в количестве около 5-10% создает защитный слой. оксид никеля слой, предотвращающий коррозию.

Как и в случае с железом, эти процентные содержания никеля недостаточны для возникновения магнетизма. Однако некоторая миграция никеля может постепенно выравнивать локальные магнитные поля, если сплав корродирует. Это вызывает незначительное притяжение к магнитам в нишевых условиях.

Дополнительные легирующие элементы

Алюминиевые и марганцевые бронзы также основаны на коррозионно-стойких поверхностных оксидах, что делает их слабомагнитными, если со временем происходит эрозия. В некоторых фосфористых бронзах для удаления кислородных примесей в процессе производства могут использоваться следы ферромагнитных элементов, таких как железо и кобальт. Это может вызвать слабое магнитное притяжение.

Однако в целом стандартная оловянно-медная бронза остается немагнитной, несмотря на небольшое количество легирующих элементов. Только при добавлении значительных долей ферромагнитных металлов бронзовый сплав может стать магнитным.

Испытание бронзовых и медных сплавов на магнетизм

Теперь, когда вы понимаете научную подоплеку спорадического магнетизма бронзы, вы, возможно, захотите проверить свои собственные артефакты из медного сплава. Вот несколько простых методов проверки бронзы и других предметов на магнитное поведение:

Испытание поплавком

Этот тест позволяет проверить на магнетизм любой небольшой бронзовый предмет, например, ювелирные украшения, монеты или поделки. Вам понадобится миска с плоским дном, вода и небольшой магнит для холодильника.

Сначала наполните чашу водой, оставив 1 дюйм/2,5 см пространства под ободком. Затем осторожно положите исследуемый предмет на поверхность воды. Если он тонет, попробуйте взять предмет поменьше или добавить плот из скрепок для плавучести.

Держите магнит в дюйме над плавающим предметом и медленно опускайте его вертикально к поверхности. Если испытуемый предмет выпрыгнет из воды или устремится навстречу магниту, значит, он проявляет ферромагнетизм. Однако если поверхностное натяжение воды удерживает предмет там, где он лежит, когда вы приближаете магнит, значит, ваша бронза не обладает магнитным притяжением.

Этот метод позволяет изолировать испытуемый предмет от любых мешающих металлов, четко выявляя даже слабый магнетизм.

Метод быстрого выбора

Если вы хотите быстро проверить крупные бронзовые предметы или скульптуры, попробуйте использовать технику быстрого отбора. Держите магнит крепко и осторожно прикоснитесь его нижней стороной к бронзовой поверхности под углом 45°. Медленно проведите им по поверхности, сохраняя контакт.

Если магнит легко скользит по бронзе, значит, магнитное притяжение отсутствует. Однако если магнит зацепился и потянул за собой, это указывает на наличие участков с легким магнетизмом. Вы можете заметить это вблизи проржавевших участков или соединенных деталей, если они содержат железо или никель.

Для повышения чувствительности без царапин наклейте на нижнюю сторону магнита слой поролона. Это смягчит контакт и сделает заметным даже слабое магнитное притяжение.

Магнитная пленка для просмотра

Магнитная смотровая пленка предлагает наиболее научный подход к оценке бронзовых артефактов на предмет магнетизма. Просто приклейте пленку к поверхности бронзы. Затем проведите магнитом под задней стороной пленки.

Прочная ацетатная пленка мгновенно выявит все магнитные области на бронзе благодаря выравниванию микроскопических осколков никеля внутри материала. Там, где осколки сгруппируются в сплошные черные линии и группы, ваша бронза обладает заметным магнетизмом.

И наоборот, если на поверхности появляются лишь случайные темные разводы, можно с уверенностью сказать, что ваш сплав не обладает значительным магнитным притяжением или отталкиванием. Этот метод также позволяет выявить очаги ферромагнитного загрязнения на более современных обрабатываемых изделиях.

Основные выводы по бронзовому магнетизму

• Традиционная оловянно-медная бронза не проявляет магнитных свойств благодаря парным, аннулирующим друг друга электронам. Медь и олово по отдельности также являются немагнитными металлами.
• Легирующие элементы, такие как железо, никель, марганец, алюминий и кобальт, могут вызывать слабый магнетизм, если их концентрация превышает примерно 5% в бронзе.
• Коррозия на протяжении десятилетий и столетий может вскрыть погребенные ферромагнитные добавки, что приводит к появлению участков слабого магнетизма в древних бронзах.
• Проверить бронзу на магнетизм можно с помощью флотации, быстрого скольжения магнита или просмотра магнитной пленки.

За тысячи лет существования человеческой цивилизации бронза устилала поля сражений, украшала королевские особы и укрепляла империи по всему миру. Несмотря на свою долгую историю, этот универсальный сплав продолжает служить нам и в наши дни.

Разгадка тайны необычного магнетизма бронзы проливает свет на основы науки о металлических сплавах. Кроме того, вы сможете проверить свои собственные бесценные артефакты и сокровища на наличие этого самого стойкого свойства - притяжения к природному камню.

Покопайтесь в своих запасниках и достаньте старые бронзовые вещи дедушки или артефакт, найденный на заднем дворе. С помощью этих магнитных тестов вы сможете раскрыть богатые истории, связанные с путешествием бронзы во времени.