خصائص حلقة التخلف المغناطيسي لمغناطيسات ألنكو، وأسباب السلوك شبه الخطي، ومقارنتها بالمغناطيسات الدائمة المصنوعة من العناصر الأرضية النادرة

1. مقدمة عن حلقات التخلف المغناطيسي

حلقة التخلف المغناطيسي هي منحنى مغلق يصف العلاقة بين الحث المغناطيسي ( B ) وشدة المجال المغناطيسي ( H ) في مادة مغناطيسية حديدية أو مغناطيسية حديدية مضادة أثناء التمغنط الدوري. وهي تعكس قدرة المادة على الاحتفاظ بالتمغنط (التمغنط المتبقي، Br ) ومقاومة إزالة التمغنط (الإكراه، Hc )، وهما عاملان حاسمان في المغناطيس الدائم. يوفر شكل الحلقة ومساحتها معلومات قيّمة حول فقد الطاقة في المادة، واستقرارها الحراري، ومدى ملاءمتها لتطبيقات محددة.

2. خصائص حلقة التخلف المغناطيسي لمغناطيسات ألنكو

تُعدّ مغناطيسات ألنكو (الألومنيوم-النيكل-الكوبالت) فئة من المغناطيسات الدائمة التي طُوّرت في ثلاثينيات القرن العشرين، وتشتهر بثباتها الحراري الممتاز ومغناطيسيتها المتبقية العالية. ويُظهر منحنى التخلف المغناطيسي الخاص بها الخصائص الرئيسية التالية:

(1) مغناطيسية متبقية عالية ( Br ) وقسرية منخفضة ( Hc )

• تتميز مغناطيسات ألنكو عادةً بمغناطيس متبقي ( Br ) في نطاق 1.0-1.4 تسلا ، وهو مرتفع نسبيًا مقارنة بالمغناطيسات الدائمة الأخرى مثل الفريتات ولكنه أقل من مغناطيسات العناصر الأرضية النادرة مثل NdFeB.
• تتميز مادة الألنيكو بانخفاض قيمة الإكراه المغناطيسي ( Hc )، حيث تتراوح عادةً بين 50 و200 كيلو أمبير/متر ، وذلك تبعًا لتركيب السبيكة. وهذا يعني أن مغناطيسات الألنيكو أكثر عرضةً لإزالة المغنطة تحت تأثير المجالات المغناطيسية العكسية أو درجات الحرارة العالية.

(2) منحنى التمغنط الأولي غير الخطي

• منحنى التمغنط الأولي لمادة الألنيكو غير خطي، حيث يزداد المجال المغناطيسي (B) تدريجيًا مع ازدياد المجال المغناطيسي (H) ، ثم يرتفع بسرعة قرب التشبع. ويعود هذا السلوك إلى اصطفاف المجالات المغناطيسية تحت تأثير المجال الخارجي.

(3) منحنى إزالة المغناطيسية شبه الخطي (الربع الثاني)

• أبرز ما يميز حلقة التخلف المغناطيسي لمادة الألنيكو هو منحنى إزالة المغناطيسية شبه الخطي في الربع الثاني (حيث تكون قيمة H سالبة وتبقى قيمة B موجبة). وتعود هذه الخطية إلى البنية المجهرية الفريدة للمادة وآليات تثبيت جدران النطاقات المغناطيسية.

3. لماذا تكون حلقة التخلف المغناطيسي لمادة ألنكو شبه خطية؟

يمكن أن يُعزى السلوك شبه الخطي لمنحنى إزالة المغنطة في مادة ألنكو إلى العوامل التالية:

(1) تثبيت جدار المجال بواسطة الرواسب

• تتكون سبائك الألنيكو من مصفوفة من الحديد (Fe) والكوبالت (Co) مع رواسب دقيقة من طوري النيكل-الألومنيوم (Ni-Al) أو التيتانيوم-الكوبالت (Ti-Co). تعمل هذه الرواسب كمواقع تثبيت لجدران النطاقات المغناطيسية، مما يحد من حركتها تحت تأثير المجالات المغناطيسية العكسية.
• يؤدي التوزيع المنتظم لهذه الرواسب إلى مقاومة ثابتة نسبياً لحركة جدار المجال، مما ينتج عنه انخفاض خطي في B مع زيادة H في الاتجاه السالب.

(2) تباين مغناطيسي بلوري عالي

• يتميز الألنيكو بخاصية التباين المغناطيسي البلوري المعتدل، مما يعني أن المجالات المغناطيسية تميل إلى الاصطفاف على طول اتجاهات بلورية محددة. يساهم هذا التباين في استقرار حالة التمغنط، ويمنع حدوث تغيرات مفاجئة في المجال المغناطيسي (B) أثناء عملية إزالة التمغنط.

(3) نعومة مغناطيسية منخفضة

• على عكس المواد المغناطيسية اللينة (مثل الفولاذ السيليكوني)، التي تُظهر حلقات تخلف مغناطيسي واسعة وقسرية منخفضة، فإن البنية المجهرية لمادة الألنيكو مُحسَّنة لتحقيق توازن بين المغناطيسية المتبقية العالية والقسرية المعتدلة. ويعكس منحنى إزالة المغناطيسية الخطي هذا التوازن، حيث تقاوم المادة إزالة المغناطيسية مع الحفاظ على مجال مغناطيسي مستقر.

(4) الاستقرار الحراري

• تُعرف مغناطيسات الألنيكو بثباتها الحراري الممتاز، حيث تتميز بمعامل حراري منخفض قابل للانعكاس للمغناطيسية المتبقية (αBr ≈ -0.02%/°C). يضمن هذا الثبات الحفاظ على خطية منحنى إزالة المغناطيسية على نطاق واسع من درجات الحرارة، مما يجعل الألنيكو مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب درجات حرارة عالية.

4. مقارنة مع المغناطيس الدائم المصنوع من العناصر الأرضية النادرة

تُظهر المغناطيسات الدائمة المصنوعة من العناصر الأرضية النادرة، مثل الساماريوم-الكوبالت (SmCo) والنيوديميوم-الحديد-البورون (NdFeB)، خصائص حلقة التخلف المغناطيسي المختلفة بشكل كبير مقارنة بالألنيكو.

(1) خصائص حلقة التخلف المغناطيسي للمغناطيسات الأرضية النادرة

• المغناطيسية المتبقية العالية والإكراه المغناطيسي العالي : تتميز مغناطيسات العناصر الأرضية النادرة بمغناطيسية متبقية ( Br > 1.0 تسلا) وإكراه مغناطيسي ( Hc > 500 كيلو أمبير/متر) أعلى بكثير من مغناطيسات الألنيكو. على سبيل المثال، يمكن أن تصل قيم Br لمغناطيسات NdFeB إلى1.6 T وقيم Hc التي تتجاوز 1000 كيلو أمبير/متر .
• حلقة التخلف المغناطيسي المربعة : منحنى إزالة المغناطيسية للمغناطيسات الأرضية النادرة مربع للغاية، مما يعني أن المجال المغناطيسي (B) يظل ثابتًا تقريبًا حتى يصل المجال المغناطيسي ( H) إلى قيمة حرجة (نقطة الانحناء)، وبعد ذلك ينخفض ​​بشكل حاد. تشير هذه المربعية إلى مقاومة عالية لإزالة المغناطيسية وإنتاج طاقة ممتاز (BH الأعلى).
• منتج طاقة مغناطيسية عالي : تتميز مغناطيسات العناصر الأرضية النادرة بمنتج طاقة قصوى أعلى بكثير (BH الحد الأقصى)، وهو مقياس للطاقة المغناطيسية المخزنة لكل وحدة حجم. على سبيل المثال، يمكن لمغناطيسات NdFeB أن تحققBH تصل القيم القصوى إلى 50 ميجا جاوس (400 كيلو جول / م³) ، مقارنة بـ 5-10 ميجا جاوس (40-80 كيلو جول / م³) لـ Alnico.

(2) الاختلافات الرئيسية عن ألنكو

(3) لماذا تتميز مغناطيسات العناصر الأرضية النادرة بحلقات تخلف مغناطيسي مربعة؟

• تستمد مغانط العناصر الأرضية النادرة حلقات التخلف المغناطيسي المربعة من تباينها المغناطيسي البلوري القوي واقتران التبادل العالي بين الذرات. وتجبر البنية البلورية لمركبي SmCo وNdFeB المجالات المغناطيسية على الاصطفاف بطريقة شديدة التنظيم، مما يؤدي إلى انتقال حاد من التمغنط إلى إزالة التمغنط.
• في المقابل، تسمح البنية المجهرية لـ Alnico، مع رواسبها الموزعة وتباينها المعتدل، بعملية إزالة مغناطيسية أكثر تدريجية، مما يؤدي إلى سلوك شبه خطي.

5. الآثار العملية لخصائص حلقة التخلف المغناطيسي

إن الاختلافات في خصائص حلقة التخلف المغناطيسي بين مغناطيسات الألنيكو والمغناطيسات الأرضية النادرة لها آثار كبيرة على تطبيقاتها:

(1) تطبيقات الألنيكو

• استقرار درجات الحرارة العالية : إن منحنى إزالة المغناطيسية شبه الخطي لمادة ألنكو واستقرارها الحراري الممتاز يجعلها مثالية للتطبيقات التي تكون فيها تقلبات درجة الحرارة كبيرة، مثل أجهزة استشعار الفضاء الجوي والمعدات العسكرية ولاقطات الجيتار الكهربائي.
• مجالات مغناطيسية مستقرة : تضمن خطية منحنى إزالة المغناطيسية أن تحافظ مغناطيسات Alnico على مجال مغناطيسي ثابت بمرور الوقت، حتى في ظل الأحمال المتغيرة أو المجالات الخارجية.
• الفعالية من حيث التكلفة : على الرغم من أنها ليست بقوة المغناطيسات الأرضية النادرة، إلا أن Alnico توفر توازنًا جيدًا بين الأداء والتكلفة للتطبيقات التي لا تتطلب قوة مغناطيسية فائقة.

(2) تطبيقات المغناطيسات الأرضية النادرة

• المحركات عالية الأداء : إن حلقة التخلف المغناطيسي المربعة وناتج الطاقة العالي للمغناطيسات الأرضية النادرة تجعلها مثالية للمحركات الكهربائية والمولدات والمشغلات، حيث يكون عزم الدوران الأقصى والكفاءة أمرًا بالغ الأهمية.
• التصوير الطبي : تُستخدم مغناطيسات NdFeB على نطاق واسع في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي نظرًا لمجالاتها المغناطيسية القوية والموحدة.
• الطاقة المتجددة : تعتمد توربينات الرياح والمركبات الكهربائية على مغناطيسات العناصر الأرضية النادرة لما تتميز به من كثافة طاقة عالية وموثوقية.

6. الخاتمة

تُظهر مغناطيسات الألنيكو حلقة تخلف مغناطيسي فريدة تتميز بمغناطيسية متبقية عالية، وإكراه مغناطيسي منخفض، ومنحنى إزالة مغناطيسية شبه خطي في الربع الثاني. ويعود هذا السلوك إلى البنية المجهرية للمادة، وآليات تثبيت جدران النطاقات المغناطيسية، والتباين المغناطيسي البلوري المعتدل. ورغم أن الألنيكو لا يُضاهي الخصائص المغناطيسية الفائقة لمغناطيسات العناصر الأرضية النادرة مثل السماريوم-كوبالت والنيوديميوم-حديد-بورون، إلا أن استقراره الحراري الممتاز وأداءه المتسق يجعلان منه عنصرًا لا غنى عنه في التطبيقات التي تتطلب درجات حرارة عالية ودقة متناهية.

من ناحية أخرى، توفر المغناطيسات الأرضية النادرة مغناطيسية متبقية وقسرية وطاقة مغناطيسية فائقة بفضل تباينها القوي واقتران التبادل العالي. كما أن حلقات التخلف المغناطيسي المربعة الخاصة بها تمكنها من مقاومة إزالة المغناطيسية وتخزين المزيد من الطاقة المغناطيسية لكل وحدة حجم، مما يجعلها الخيار الأمثل للتطبيقات عالية الأداء.

يعتمد اختيار المغناطيس المناسب بين مغناطيس ألنكو ومغناطيس العناصر الأرضية النادرة في نهاية المطاف على المتطلبات المحددة للتطبيق، بما في ذلك نطاق درجة الحرارة، وقوة المجال المغناطيسي، والتكلفة، وقيود الحجم. ويُعد فهم خصائص منحنى التخلف المغناطيسي لهذه المواد أمرًا أساسيًا لاختيار المغناطيس المناسب للغرض المطلوب.