إزالة المغنطة العكوسة وغير العكوسة في مغناطيسات ألنكو وقوة مجال إزالة المغنطة الحرجة

1. مقدمة عن مغناطيسات ألنكو

تُعدّ مغناطيسات الألنيكو، المُكوّنة أساسًا من الألومنيوم (Al) والنيكل (Ni) والكوبالت (Co) والحديد (Fe)، نوعًا من المغناطيس الدائم المعروف بثباته الحراري الممتاز ومغناطيسيته المتبقية العالية. وقد استُخدمت هذه المغناطيسات على نطاق واسع في تطبيقات متنوعة، تشمل المحركات والمستشعرات ومكبرات الصوت ومكونات صناعة الطيران، نظرًا لخصائصها المغناطيسية الفريدة. مع ذلك، تُظهر مغناطيسات الألنيكو أيضًا بعض الخصائص، مثل انخفاض الإكراه المغناطيسي، مما يجعلها عُرضة لإزالة المغناطيسية في ظروف مُحددة. يُعدّ فهم مفاهيم إزالة المغناطيسية العكوسة وغير العكوسة، بالإضافة إلى شدة مجال إزالة المغناطيسية الحرجة، أمرًا بالغ الأهمية لتحسين أداء وموثوقية الأجهزة القائمة على الألنيكو.

2. الخصائص المغناطيسية لمغناطيسات الألنيكو

2.1 المعايير المغناطيسية الرئيسية

• المغناطيسية المتبقية (Br) : هي كثافة التدفق المغناطيسي المتبقي في المغناطيس بعد إزالة مجال مغناطيسي خارجي. تتميز مغناطيسات الألنيكو عادةً بقيم مغناطيسية متبقية عالية، تتراوح بين 0.53 تسلا و1.35 تسلا، وذلك تبعًا لتركيب السبيكة وعملية التصنيع.
• الإكراه المغناطيسي (Hc) : مقدار المجال المغناطيسي العكسي اللازم لتقليل المغناطيسية المتبقية إلى الصفر. تتميز مغناطيسات الألنيكو بقيم إكراه مغناطيسي منخفضة نسبيًا، عادةً ما تكون أقل من 160 كيلو أمبير/متر، مما يجعلها أكثر عرضة لإزالة المغناطيسية مقارنةً بمواد المغناطيس الدائم الأخرى مثل النيوديميوم والحديد والبورون أو الفريت.
• أقصى ناتج طاقة (BH)max : مقياس لسعة تخزين الطاقة المغناطيسية للمغناطيس. تتميز مغناطيسات ألنكو بقيم (BH)max متوسطة، تتراوح عادةً بين 5 و50 كيلوجول/م³، مما يحد من استخدامها في التطبيقات التي تتطلب كثافة طاقة مغناطيسية عالية.

2.2 اعتماد الخصائص المغناطيسية على درجة الحرارة

من أهم مزايا مغناطيسات الألنيكو استقرارها الحراري الممتاز. تتميز هذه المغناطيسات بمعامل مغناطيسي متبقٍ منخفض، يبلغ عادةً حوالي -0.02% لكل درجة مئوية، مما يعني أن مغناطيسيتها المتبقية تنخفض بشكل طفيف فقط مع ارتفاع درجة الحرارة. إضافةً إلى ذلك، يمكن لمغناطيسات الألنيكو العمل في درجات حرارة عالية، حيث تتحمل بعض أنواعها درجات حرارة تصل إلى 550-600 درجة مئوية دون تدهور ملحوظ في خصائصها المغناطيسية. هذا الاستقرار الحراري يجعل مغناطيسات الألنيكو مناسبة للاستخدام في البيئات ذات درجات الحرارة العالية التي قد تفشل فيها مواد المغناطيس الدائم الأخرى.

3. إزالة المغنطة العكسية في مغناطيسات ألنكو

3.1 التعريف والآلية

يشير مصطلح إزالة المغنطة العكوسة إلى الانخفاض المؤقت في كثافة التدفق المغناطيسي للمغناطيس عند تعرضه لمجال مغناطيسي خارجي معاكس أو تقلبات حرارية، والذي يمكن استعادته بالكامل بمجرد زوال التأثير الخارجي. في مغناطيسات الألنيكو، تحدث إزالة المغنطة العكوسة نتيجة دوران المجالات المغناطيسية داخل المادة استجابةً للمجال الخارجي أو تغيرات درجة الحرارة. ولأن دوران المجال مرن بطبيعته، يعود المغناطيس إلى حالته الأصلية بمجرد زوال التأثير الخارجي.

3.2 العوامل المؤثرة على إزالة المغنطة العكسية

• المجال المغناطيسي الخارجي : يؤدي تطبيق مجال مغناطيسي معاكس إلى دوران المجالات المغناطيسية، مما يقلل من المغنطة الكلية للمغناطيس. ويعتمد مدى إزالة المغنطة العكسية على شدة المجال المعاكس ومدته.
• درجة الحرارة : يمكن أن تؤدي تقلبات درجة الحرارة إلى إزالة مغناطيسية عكسية من خلال التأثير على الطاقة الحرارية للمجالات المغناطيسية. مع ارتفاع درجة الحرارة، تتغلب الطاقة الحرارية على طاقة تثبيت جدار المجال، مما يسمح للمجالات بالدوران بحرية أكبر ويقلل من المغنطة. ومع ذلك، فإن هذا التأثير عكسي، وتستعيد المغنطة قيمتها عند التبريد.

3.3 التمثيل الرياضي

يمكن تمثيل عملية إزالة المغنطة العكسية رياضياً بالمعادلة التالية:

أين:

• B هي كثافة التدفق المغناطيسي عند مجال عكسي معين H ،
• Br هو البقايا،
• μ0 هي نفاذية الفراغ الحر،
• μr هي النفاذية النسبية العكسية للمغناطيس،
• H هو المجال المغناطيسي العكسي الخارجي.

تعتبر النفاذية النسبية العكسية μr مقياسًا لقدرة المغناطيس على الخضوع لإزالة المغناطيسية العكسية، وعادة ما تكون في نطاق 3-7 لمغناطيسات Alnico.

4. إزالة المغنطة غير القابلة للانعكاس في مغناطيسات ألنكو

4.1 التعريف والآلية

يشير مصطلح إزالة المغنطة غير العكوسة إلى الانخفاض الدائم في كثافة التدفق المغناطيسي للمغناطيس عند تعرضه لمجال مغناطيسي خارجي معاكس أو تقلبات حرارية تتجاوز عتبة حرجة معينة. وعلى عكس إزالة المغنطة العكوسة، تنطوي إزالة المغنطة غير العكوسة على حركة أو فناء غير رجعي للمجالات المغناطيسية، مما يؤدي إلى فقدان دائم للمغنطة. في مغناطيسات الألنيكو، تحدث إزالة المغنطة غير العكوسة عندما يتجاوز المجال المغناطيسي المعاكس قوة الإكراه المغناطيسي للمغناطيس، مما يتسبب في تحرك جدران المجالات المغناطيسية بشكل غير رجعي وإعادة توجيه المجالات في اتجاه المجال المعاكس.

4.2 العوامل المؤثرة على إزالة المغنطة غير القابلة للانعكاس

• المجال المغناطيسي الخارجي : العامل الرئيسي المسبب لإزالة المغنطة غير القابلة للعكس هو تطبيق مجال مغناطيسي معاكس يتجاوز قوة الإكراه المغناطيسي للمغناطيس. ويحدد مقدار المجال المعاكس ومدته مدى إزالة المغنطة غير القابلة للعكس.
• درجة الحرارة : يمكن أن تؤدي درجات الحرارة المرتفعة أيضًا إلى إزالة مغناطيسية غير قابلة للانعكاس عن طريق تقليل قوة الإكراه المغناطيسي وتسهيل حركة جدران النطاقات المغناطيسية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تؤدي دورات التسخين والتبريد إلى نمو حدود الحبيبات وتكوين عيوب، والتي يمكن أن تعمل كمواقع تنوية لحركة جدران النطاقات المغناطيسية غير القابلة للانعكاس.
• الإجهاد الميكانيكي : يمكن أن يتسبب الإجهاد الميكانيكي، مثل الاهتزاز أو الصدمة، في إزالة مغناطيسية لا رجعة فيها من خلال التأثير على بنية المجال المغناطيسي للمغناطيس. ويمكن أن تؤدي حركة جدار المجال المغناطيسي الناتجة عن الإجهاد إلى فقدان دائم للمغنطة.

4.3 التمثيل الرياضي

يمكن تمثيل عملية إزالة المغنطة غير القابلة للانعكاس بانزياح منحنى إزالة المغنطة (المعروف أيضًا بحلقة التخلف المغناطيسي) للمغناطيس. بمجرد أن يتعرض المغناطيس لإزالة مغنطة غير قابلة للانعكاس، ينزاح منحنى إزالة المغنطة إلى اليسار، مما يشير إلى انخفاض دائم في المغناطيسية المتبقية والإكراه المغناطيسي. يعتمد مدى هذا الانزياح على شدة المجال العكسي أو التقلبات الحرارية التي تسببت في إزالة المغنطة غير القابلة للانعكاس.

5. شدة مجال إزالة المغنطة الحرجة في مغناطيسات ألنكو

5.1 التعريف والأهمية

شدة مجال إزالة المغنطة الحرجة (H_d,crit) هي الحد الأدنى لقيمة المجال المغناطيسي العكسي اللازم لإحداث إزالة مغنطة غير قابلة للعكس في المغناطيس. وهي معيار حاسم لتقييم مقاومة إزالة المغنطة للمغناطيسات الدائمة، ولتصميم الدوائر المغناطيسية التي تضمن تشغيل المغناطيس ضمن نطاق التشغيل الآمن (SOA). في مغناطيسات ألنكو، ترتبط شدة مجال إزالة المغنطة الحرجة ارتباطًا وثيقًا بقوة الإكراه المغناطيسي للمغناطيس، ولكنها تتأثر أيضًا بعوامل أخرى مثل شكل المغناطيس وحجمه ودرجة حرارة تشغيله.

5.2 تحديد شدة مجال إزالة المغنطة الحرجة

يمكن تحديد شدة مجال إزالة المغنطة الحرجة تجريبياً بتعريض المغناطيس لحقول مغناطيسية عكسية متزايدة وقياس التغيرات الناتجة في المغنطة. وتُعتبر النقطة التي لا تعود عندها المغنطة إلى وضعها الطبيعي بعد إزالة الحقل العكسي هي شدة مجال إزالة المغنطة الحرجة. وبدلاً من ذلك، يمكن تقدير شدة مجال إزالة المغنطة الحرجة باستخدام نماذج نظرية تأخذ في الحسبان الخصائص المغناطيسية للمغناطيس وهندسته.

5.3 العوامل المؤثرة على شدة مجال إزالة المغنطة الحرجة

• الإكراه المغناطيسي : يُعدّ الإكراه المغناطيسي للمغناطيس العامل الأساسي الذي يُحدد شدة مجال إزالة المغنطة الحرجة. تتميز مغناطيسات الألنيكو ذات قيم الإكراه المغناطيسي الأعلى بشدة مجال إزالة مغنطة حرجة أعلى، كما أنها أكثر مقاومة لإزالة المغنطة غير القابلة للعكس.
• شكل المغناطيس وحجمه : يؤثر شكل المغناطيس وحجمه أيضًا على شدة مجال إزالة المغنطة الحرجة. فالمغناطيسات الطويلة والرفيعة أكثر عرضة لإزالة المغنطة نظرًا لشدة مجالات إزالة المغنطة عند أطرافها، بينما تتمتع المغناطيسات القصيرة والسميكة بشدة مجال إزالة مغنطة حرجة أعلى.
• درجة حرارة التشغيل : تؤثر درجة حرارة تشغيل المغناطيس على إكراهه المغناطيسي، وبالتالي على شدة مجال إزالة المغنطة الحرجة. فمع ارتفاع درجة الحرارة، ينخفض ​​الإكراه المغناطيسي، مما يقلل من شدة مجال إزالة المغنطة الحرجة ويجعل المغناطيس أكثر عرضة لإزالة المغنطة غير القابلة للعكس.

5.4 القيم النموذجية لمغناطيسات ألنكو

تختلف شدة مجال إزالة المغنطة الحرجة لمغناطيسات الألنيكو تبعًا لتركيب السبيكة وعملية التصنيع. مع ذلك، وكقاعدة عامة، تتراوح شدة مجال إزالة المغنطة الحرجة لمغناطيسات الألنيكو عادةً بين 80 و160 كيلو أمبير/متر. هذا يعني أن المجالات المغناطيسية العكسية التي تتجاوز هذه القيم قد تُسبب إزالة مغنطة لا رجعة فيها في مغناطيسات الألنيكو، مما يؤدي إلى فقدان دائم للمغنطة.

6. الآثار العملية واستراتيجيات التخفيف

6.1 اعتبارات تصميم الدوائر المغناطيسية

عند تصميم الدوائر المغناطيسية باستخدام مغناطيسات ألنكو، من الضروري التأكد من أن المغناطيس يعمل ضمن نطاق التشغيل الآمن لتجنب إزالة المغناطيسية بشكل لا رجعة فيه. وهذا يشمل ما يلي:

• حساب مجال إزالة المغنطة : يجب حساب مجال إزالة المغنطة داخل الدائرة المغناطيسية لضمان عدم تجاوزه شدة مجال إزالة المغنطة الحرجة للمغناطيس. ويمكن القيام بذلك باستخدام تحليل العناصر المحدودة (FEA) أو تقنيات نمذجة الدوائر المغناطيسية الأخرى.
• تحسين هندسة المغناطيس : ينبغي تحسين شكل وحجم المغناطيس لتقليل مجال إزالة المغنطة إلى أدنى حد وزيادة شدة مجال إزالة المغنطة الحرج إلى أقصى حد. على سبيل المثال، يمكن استخدام مغناطيسات قصيرة وسميكة أو مغناطيسات ذات نسب أبعاد عالية للمساعدة في تقليل مجال إزالة المغنطة.
• دمج المواد المغناطيسية اللينة : يمكن استخدام المواد المغناطيسية اللينة، مثل الحديد أو الفولاذ السيليكوني، في الدائرة المغناطيسية لحماية مغناطيس ألنكو من المجالات العكسية الخارجية وتقليل مجال إزالة المغناطيسية داخل المغناطيس.

6.2 إدارة درجة حرارة التشغيل

بما أن شدة مجال إزالة المغنطة الحرجة لمغناطيسات الألنيكو تتناقص مع ارتفاع درجة الحرارة، فمن المهم التحكم في درجة حرارة تشغيل المغناطيس لتجنب إزالة المغنطة غير القابلة للعكس. ويمكن تحقيق ذلك من خلال:

• التصميم الحراري : يجب تصميم الدائرة المغناطيسية لتبديد الحرارة بكفاءة والحفاظ على المغناطيس ضمن نطاق درجة حرارة التشغيل الآمنة. قد يشمل ذلك استخدام مشتتات حرارية أو مراوح أو آليات تبريد أخرى.
• مراقبة درجة الحرارة : يمكن دمج مستشعرات درجة الحرارة في الدائرة المغناطيسية لمراقبة درجة حرارة المغناطيس وتفعيل إجراءات الحماية، مثل تقليل الحمل أو إيقاف تشغيل الجهاز، إذا تجاوزت درجة الحرارة عتبة معينة.

6.3 تقنيات تثبيت المغناطيس

لتعزيز مقاومة إزالة المغناطيسية لمغناطيسات ألنكو، يمكن استخدام تقنيات تثبيت متنوعة، بما في ذلك:

• التمغنط المسبق : يمكن مغنطة المغناطيس مسبقًا إلى مستوى مجال مغناطيسي عالٍ قبل تركيبه في الدائرة المغناطيسية. يساعد ذلك على محاذاة المجالات المغناطيسية وزيادة مقاومة المغناطيس لإزالة المغنطة اللاحقة.
• التدوير الحراري : يتضمن التدوير الحراري تعريض المغناطيس لسلسلة من دورات درجات الحرارة لتحقيق استقرار خصائصه المغناطيسية. تساعد هذه العملية على تقليل قابلية المغناطيس للفقدان المغناطيسي غير القابل للعكس عن طريق تعزيز نمو هياكل نطاقات مغناطيسية مستقرة.
• التثبيت الميكانيكي : يمكن لتقنيات التثبيت الميكانيكي، مثل تثبيت المغناطيس أو تغليفه، أن تساعد في تقليل الإجهاد الميكانيكي والاهتزاز، مما قد يتسبب في إزالة المغناطيسية بشكل لا رجعة فيه.

7. دراسات الحالة والتطبيقات

7.1 تطبيقات الفضاء الجوي

تُستخدم مغناطيسات ألنكو على نطاق واسع في تطبيقات الفضاء، مثل الجيروسكوبات ومقاييس التسارع والمستشعرات المغناطيسية، نظرًا لاستقرارها الحراري الممتاز ومغناطيسيتها المتبقية العالية. في هذه التطبيقات، تتعرض المغناطيسات غالبًا لدرجات حرارة عالية ومجالات مغناطيسية معاكسة، مما يجعل مقاومة إزالة المغناطيسية شرطًا أساسيًا. من خلال تصميم الدوائر المغناطيسية بعناية وتطبيق تقنيات التثبيت، يمكن استخدام مغناطيسات ألنكو بشكل موثوق في بيئات الفضاء دون التعرض لإزالة مغناطيسية لا رجعة فيها.

7.2 تطبيقات المحركات

تُستخدم مغناطيسات ألنكو في أنواع مختلفة من المحركات، بما في ذلك محركات التيار المستمر، والمحركات الخطوية، ومحركات المؤازرة. في تطبيقات المحركات، تتعرض المغناطيسات لمجالات مغناطيسية متناوبة وإجهاد ميكانيكي، مما قد يؤدي إلى فقدان مغناطيسيتها بمرور الوقت. وللتخفيف من هذه المشكلة، غالبًا ما يستخدم مصممو المحركات مغناطيسات ألنكو ذات قيم إكراه عالية، ويُدمجون مواد مغناطيسية لينة في الدائرة المغناطيسية لحماية المغناطيسات من المجالات العكسية. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم تقنيات إدارة حرارية للحفاظ على المغناطيسات ضمن نطاق درجة حرارة التشغيل الآمنة.

7.3 تطبيقات أجهزة الاستشعار

تُستخدم مغناطيسات الألنيكو على نطاق واسع في أجهزة الاستشعار المغناطيسية، مثل مستشعرات تأثير هول ومستشعرات المقاومة المغناطيسية، نظرًا لخصائصها المغناطيسية المستقرة ومغناطيسيتها المتبقية العالية. في تطبيقات الاستشعار، يُشترط أن توفر هذه المغناطيسات مجالًا مغناطيسيًا ثابتًا وموثوقًا به على مدى فترات طويلة. ولضمان ذلك، غالبًا ما يستخدم مصممو أجهزة الاستشعار مغناطيسات الألنيكو التي خضعت لعملية مغنطة مسبقة وتثبيت لتقليل خطر فقدان المغناطيسية غير القابل للعكس. إضافةً إلى ذلك، تُصمم أجهزة الاستشعار للعمل ضمن نطاق درجة حرارة محدد لتجنب فقدان المغناطيسية الناتج عن تغيرات درجة الحرارة.