تدهور واستعادة الأداء المغناطيسي لمغناطيسات ألنكو في نطاق درجة حرارة من درجة حرارة الغرفة إلى 500 درجة مئوية

1. مقدمة

تُعدّ مغناطيسات الألنيكو (الألومنيوم-النيكل-الكوبالت) عائلة من مواد المغناطيس الدائم المعروفة بثباتها الحراري الممتاز، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية مثل أجهزة الاستشعار في مجالات الطيران والفضاء، والمجالات العسكرية، والصناعية. وعلى عكس مغناطيسات العناصر الأرضية النادرة (مثل مغناطيسات النيوديميوم والحديد والبورون) أو مغناطيسات الفريت، يُظهر الألنيكو تدهورًا طفيفًا في الأداء المغناطيسي عند درجات الحرارة المرتفعة نظرًا لبنيته المجهرية الفريدة ومعاملاته الحرارية المنخفضة.

يتناول هذا التحليل ما يلي:

• قوانين تدهور الأداء المغناطيسي لمغناطيسات ألنكو في نطاق درجة حرارة الغرفة إلى 500 درجة مئوية .
• هل تستعيد الخصائص المغناطيسية عافيتها بالكامل بعد التبريد؟
• الآليات الأساسية التي تحكم هذه السلوكيات.

2. قوانين تدهور الأداء المغناطيسي لمغناطيسات ألنكو

2.1 اضمحلال الإشعاع المتبقي (Br)

المغناطيسية المتبقية ( Br ) هي كثافة التدفق المغناطيسي المتبقي بعد إزالة المجال الخارجي. بالنسبة لمغناطيسات ألنكو:

• معامل درجة حرارة التخلف المغناطيسي (αBr) : عادة من -0.01% إلى -0.02%/°C ، مما يعني أن Br ينخفض ​​بنسبة 0.01-0.02% لكل درجة مئوية .
• سلوك التحلل:
  • عند درجة حرارة أقل من 500 درجة مئوية ، يكون فقدان البروم قابلاً للانعكاس ويتبع علاقة خطية مع درجة الحرارة.
  • مثال: عند درجة حرارة 200 درجة مئوية ، يحتفظ البروم بنسبة 96-98% تقريبًا من قيمته عند درجة حرارة الغرفة.
  • عند درجة حرارة 500 درجة مئوية ، يحتفظ البروم بنسبة 90-92% تقريبًا من قيمته الأولية.

مقارنة مع أنواع المغناطيس الأخرى :

الخلاصة : يُظهر الألنيكو أدنى معدل اضمحلال للبروم بين المغناطيسات الدائمة في نطاق درجة الحرارة هذا.

2.2 اضمحلال الإكراه (Hcj)

الإكراه المغناطيسي ( Hcj ) هو مقاومة المغناطيس للتفكك. بالنسبة لمغناطيسات ألنكو:

• معامل درجة الحرارة للإكراه (αHcj) : عادة من +0.01% إلى +0.03%/°C ، مما يعني أن Hcj يزداد قليلاً مع درجة الحرارة.
• سلوك التحلل:
  • على عكس معظم المغناطيسات (حيث تنخفض قيمة Hcj مع درجة الحرارة)، فإن قيمة Hcj لمغناطيس Alnico تتحسن عند درجات الحرارة المرتفعة.
  • مثال: عند درجة حرارة 500 درجة مئوية ، قد تزداد قيمة Hcj بنسبة 10-15% مقارنة بدرجة حرارة الغرفة.

مقارنة مع أنواع المغناطيس الأخرى :

الخلاصة : إن خاصية αHcj الموجبة في مادة Alnico تمنع إزالة المغناطيسية عند درجات الحرارة العالية، وهي ميزة فريدة مقارنة بالمغناطيسات الأخرى.

2.3 اضمحلال ناتج الطاقة (BHmax)

يُعدّ ناتج الطاقة الأقصى (BHmax) مقياسًا لكثافة طاقة المغناطيس. بالنسبة لمغناطيس ألنكو:

• سلوك التحلل:
  • ينخفض ​​BHmax مع ارتفاع درجة الحرارة بسبب التأثيرات المشتركة لتغيرات Br و Hcj.
  • عند درجة حرارة 500 درجة مئوية ، يحتفظ BHmax بنحو 80-85% من قيمته عند درجة حرارة الغرفة.

مقارنة مع أنواع المغناطيس الأخرى :

الخلاصة : يحافظ الألنيكو على كثافة طاقة فائقة عند درجات الحرارة العالية مقارنة بالمغناطيسات الأخرى.

3. الآليات الكامنة وراء تدهور الأداء المغناطيسي

3.1 التحريك الحراري للمجالات المغناطيسية

• عند درجات الحرارة المرتفعة، تعمل الطاقة الحرارية على تعطيل اصطفاف المجالات المغناطيسية، مما يقلل من المغنطة الكلية.
• توفر البنية المجهرية للتفكك الدوراني لـ Alnico (قضبان α-Fe ممدودة في مصفوفة Ni-Al) استقرارًا حراريًا عاليًا ، مما يقلل من حركة جدار المجال.

3.2 معاملات درجات الحرارة المنخفضة

• تم تصميم αBr و αHcj في Alnico بحيث تكون قريبة من الصفر ، مما يضمن الحد الأدنى من تدهور الأداء.
• يعوض αHcj الموجب فقدان البروم عن طريق زيادة مقاومة إزالة المغنطة.

3.3 درجة حرارة كوري العالية (Tc)

• إن درجة حرارة التحول المغناطيسي (Tc) لـ Alnico (~800–900 درجة مئوية) أعلى بكثير من درجة حرارة التشغيل (500 درجة مئوية)، مما يمنع الفقد المغناطيسي غير القابل للعكس.
• تحت درجة الحرارة الحرجة (Tc)، يمكن للمجالات المغناطيسية أن تعيد تنظيم نفسها عند التبريد ، مما يؤدي إلى استعادة الأداء.

4. استعادة الخصائص المغناطيسية بعد التبريد

4.1 التحلل العكسي (أقل من 550 درجة مئوية تقريبًا)

• تكون خسائر Br و BHmax قابلة للانعكاس تمامًا إذا ظلت درجة الحرارة أقل من ~550 درجة مئوية (أقصى درجة حرارة تشغيل Alnico).
• عند التبريد، تعود المجالات المغناطيسية إلى حالتها الأصلية، مما يؤدي إلى استعادة الأداء.

4.2 التحلل غير القابل للعكس (أعلى من 550 درجة مئوية أو بالقرب من درجة حرارة التكنيتيوم)

• إذا تجاوزت درجة الحرارة حوالي 550 درجة مئوية أو اقتربت من درجة حرارة التحول (حوالي 800-900 درجة مئوية) ، تحدث تغييرات لا رجعة فيها :
  • تلف البنية المجهرية : يؤدي نمو الحبيبات أو تحولات الطور إلى تدهور الخصائص المغناطيسية.
  • فقدان البروم الدائم : حتى بعد التبريد، قد لا يستعيد البروم مستواه بالكامل.
• مثال : إذا تم تسخين Alnico إلى 800 درجة مئوية (بالقرب من Tc)، فقد ينخفض ​​Br إلى حوالي 50-70٪ من قيمته الأصلية ويظل متدهورًا.

4.3 إعادة المغنطة بعد الفقد غير القابل للعكس

• في حالة حدوث إزالة مغناطيسية لا رجعة فيها، يمكن إعادة مغنطة مادة Alnico باستخدام مجال خارجي قوي (على سبيل المثال، مغنط نبضي).
• ومع ذلك، فإن الشفاء التام ليس مضموناً ، خاصة إذا تضررت البنية المجهرية.

5. الآثار العملية لتطبيقات درجات الحرارة العالية

5.1 الطيران والدفاع

• إن استقرار البروم والهيدروجين في مادة الألنيكو عند درجة حرارة 500 درجة مئوية يجعلها مثالية لما يلي:
  • الجيروسكوبات (مرجع مغناطيسي ثابت).
  • أنظمة توجيه الصواريخ (مقاومة للصدمات الحرارية).

5.2 أجهزة الاستشعار والمحركات الصناعية

• يستخدم في المحركات ذات درجات الحرارة العالية (مثل مصانع الصلب) حيث يفشل NdFeB.
• قابضات مغناطيسية تعمل عند درجة حرارة 400-500 درجة مئوية .

5.3 الغيتارات الكهربائية ومعدات الصوت

• تحافظ لاقطات Alnico على نغمة ثابتة حتى عند تعرضها للحرارة (على سبيل المثال، بالقرب من مكبرات الصوت).

6. مقارنة مع أنواع المغناطيس الأخرى

أهم النقاط المستفادة :

• يُعدّ Alnico المغناطيس الوحيد ذو قيمة αHcj الموجبة ، مما يمنع إزالة المغناطيسية عند درجات الحرارة العالية.
• تضمن درجة حرارتها العالية استقرارها حتى بعد 500 درجة مئوية.

7. الخاتمة

7.1 ملخص النتائج

• في نطاق درجة حرارة الغرفة إلى 500 درجة مئوية :
  • يتحلل البروم في الألنيكو خطيًا بنسبة 8-10% تقريبًا (قابل للانعكاس).
  • تزداد قيمة Hcj بنسبة 10-15% تقريبًا ، مما يحسن مقاومة إزالة المغناطيسية.
  • يحتفظ BHmax بنسبة 80-85% تقريبًا من قيمته الأولية.
• بعد التبريد إلى ما دون 550 درجة مئوية تقريبًا، يحدث استعادة مغناطيسية كاملة .
• عند درجة حرارة أعلى من 550 درجة مئوية تقريبًا ، قد يمنع التلف الذي لا يمكن إصلاحه التعافي الكامل.

7.2 لماذا يُعدّ ألنكو الأفضل من حيث الاستقرار عند درجات الحرارة العالية

• أقل نسبة من بروميد ألفا بين المغناطيسات الدائمة.
• يمنع αHcj الإيجابي الفريد إزالة المغناطيسية.
• تضمن أعلى درجة حرارة حرجة (~800-900 درجة مئوية) الاستقرار في درجات الحرارة القصوى.
• إن التحلل العكسي تحت درجة حرارة 550 درجة مئوية يجعله مثالياً للتطبيقات الفضائية والعسكرية والصناعية.

7.3 التوصية النهائية

بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب أداءً مغناطيسيًا مستقرًا عند 500 درجة مئوية أو أقل ، يُعدّ مغناطيس ألنكو الخيار الأمثل مقارنةً بمغناطيسات النيوديميوم والحديد والبورون، والساماريوم والكوبالت، والفريت. فاستقراره الحراري، وقابليته للانعكاس، ودرجة حرارة كوري العالية تجعله لا غنى عنه في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة.