ما هي الدلالات الفيزيائية المحددة لمعاملات مثل المغناطيسية المتبقية (Br)، والقوة القسرية (Hc)، وحاصل الطاقة المغناطيسية القصوى (BHmax)؟ كيف يمكن تقييم جودة المغناطيس من خلال هذه المعاملت؟

1. المغناطيسية المتبقية (Br)

المعنى المادي

المغناطيسية المتبقية (Br)، وتسمى أيضًا  بقايا ، هي كثافة التدفق المغناطيسي (B) المتبقية في المغناطيس بعد أن يتم مغناطيسيته إلى التشبع ثم يتم تقليل المجال المغناطيسي الخارجي (H) إلى الصفر. يتم قياسه في  تسلا (T)  أو  جاوس (G)  (1 T = 10,000 G).

• أصل :ينشأ البروم من محاذاة المجالات المغناطيسية في المادة أثناء المغناطيسية. عندما يتم إزالة المجال الخارجي، تظل بعض المجالات مصطفة بسبب التباين المغناطيسي البلوري القوي وتفاعلات التبادل، مع الاحتفاظ باللحظة المغناطيسية الصافية.
• دلالة :يمثل Br "قوة خرج" المغناطيس في حالة عدم وجود مجال خارجي. إن ارتفاع قيمة Br يعني أن المغناطيس قادر على توليد مجال مغناطيسي أقوى دون مساعدة.

العوامل المؤثرة على Br

• تكوين المواد :يحتوي Nd₂Fe₁₄B النقي على نسبة عالية من البروم (~1.3–1.4 T)، ولكن السبائك مع Dy أو Tb يمكن أن تقلل من Br قليلاً مع تحسين القوة القسرية.
• البنية البلورية :يوفر الهيكل الرباعي لـ NdFeB خواصًا أحادية المحور قوية، مما يعزز البروم.
• البنية الدقيقة :يؤثر حجم الحبيبات واتجاهها والعيوب على محاذاة المجال. تُظهر المغناطيسات أحادية البلورة أو متعددة البلورات عالية التوجه نسبة أعلى من البروم.
• درجة حرارة :يتناقص البروم مع زيادة درجة الحرارة بسبب التحريك الحراري الذي يعطل محاذاة المجال.

القيم النموذجية

• NdFeB (درجة N52) : Br &غير متماثل؛ 1.45–1.50 T
• سمكو (نوع 2:17) : Br &غير متماثل؛ 1.00–1.15 T
• الفريت (SrFe₁₂O₁₉) : Br &غير متماثل؛ 0.35–0.45 T

2. القوة القسرية (Hc)

المعنى المادي

القوة القسرية (Hc) هي المجال المغناطيسي الخارجي (H) المطلوب لتقليل المغناطيسية المتبقية (Br) إلى الصفر بعد التشبع. يتم قياسه في  أكون  أو  أورستد (أوي)  (1 أ/م &غير متماثل؛ 0.0125 أوي).

• أنواع :
  • الإكراه الطبيعي (Hcb) :المجال المطلوب لإزالة المغناطيسية عن المغناطيس على طول محوره السهل (المحور c في NdFeB).
  • الإكراه الجوهري (Hci) :المجال المطلوب لعكس مغناطيسية الحبوب الفردية، مما يعكس مقاومة المادة لإزالة المغناطيسية بشكل لا رجعة فيه. Hci يكون دائمًا &ge؛ Hcb.
• دلالة :يحدد Hc قدرة المغناطيس على مقاومة إزالة المغناطيسية من المجالات الخارجية، أو التقلبات الحرارية، أو الضغوط الميكانيكية. تعتبر نسبة Hc المرتفعة ضرورية للتطبيقات التي تتضمن مجالات عكسية أو درجات حرارة عالية.

العوامل المؤثرة على Hc

• التباين المغناطيسي البلوري :المواد ذات الخواص المتباينة العالية (على سبيل المثال، NdFeB، SmCo) تحتوي على نسبة Hc أعلى.
• مرحلة حدود الحبوب :في مغناطيسات NdFeB المسحوقة، تعمل مرحلة حدود الحبوب الغنية بالـ Nd على عزل الحبوب، مما يقلل من اقتران التبادل بين الحبيبات ويزيد من Hc.
• المنشطات الأرضية النادرة الثقيلة (HRE) :إضافة Dy أو Tb يشكل طور (Nd,Dy)₂Fe₁₄B مع تباين أعلى، مما يعزز Hci.
• درجة حرارة :يتناقص Hc مع درجة الحرارة بسبب انخفاض حواجز الطاقة المتباينة الخواص.

القيم النموذجية

• NdFeB (درجة N52) : Hcb &غير متماثل؛ 955 كيلو أمبير/متر (12 كيلو أوم)، Hci &غير متماثل؛ 2100 كيلو أمبير/متر (26.4 كيلو أوم)
• سمكو (نوع 2:17) : Hcb &asymp؛ 796 كيلو أمبير/متر (10 كيلو أوم)، Hci &asymp؛ 1592 كيلو أمبير/متر (20 كيلو أوم)
• الفريت : Hcb &غير متماثل؛ 159–239 كيلو أمبير/متر (2–3 كيلو أومكافئ)

3. أقصى ناتج للطاقة المغناطيسية (BHmax)

المعنى المادي

ال  أقصى ناتج للطاقة المغناطيسية (BHmax)  هي القيمة القصوى لحاصل ضرب كثافة التدفق المغناطيسي (B) وقوة المجال المغناطيسي (H) على  منحنى إزالة المغناطيسية (منحنى BH) . يتم قياسه في  جول/م³ أو  إم جي أو إي  (1 MGOe & بدون تماثل؛ 7.96 كيلوجول/م³).

• التفسير المادي :BHmax يمثل الحد الأقصى للطاقة المخزنة في المجال المغناطيسي لكل وحدة حجم. إن قيمة BHmax الأعلى تعني أن المغناطيس قادر على تقديم المزيد من العمل الميكانيكي (على سبيل المثال، في المحركات) أو الحفاظ على مجال أقوى باستخدام مادة أقل.
• حساب :يتم العثور على BHmax عن طريق ضرب B و H في كل نقطة على منحنى إزالة المغناطيسية وتحديد القيمة القصوى.

دلالة

• كفاءة :BHmax هو المعلمة الأكثر أهمية لتقييم أداء المغناطيس. يتطلب المغناطيس ذو BHmax العالي حجمًا أقل لتحقيق نفس قوة المجال، مما يوفر المساحة والوزن.
• فعالية التكلفة :غالبًا ما تبرر المغناطيسات ذات قيمة BHmax الأعلى تكلفتها الأعلى بسبب انخفاض استخدام المواد.

العوامل المؤثرة على BHmax

• توازن B و Hc :يصل BHmax إلى الحد الأقصى عندما يعمل المغناطيس بالقرب من "ركبة" منحنى إزالة المغناطيسية، حيث يكون كل من B وH مرتفعين. يتطلب هذا توازنًا مثاليًا بين Br و Hc.
• نقاء المواد :تعمل الشوائب على تقليل BHmax عن طريق إدخال عيوب تؤدي إلى تعطيل محاذاة المجال.
• عملية التصنيع :يمكن أن تعمل عملية الضغط الساخن أو إزعاج القالب أو انتشار حدود الحبوب على تعزيز BHmax من خلال تحسين التوحيد البنيوي الدقيق.

القيم النموذجية

• NdFeB (درجة N52) : BHmax &غير متماثل؛ 400–420 كيلوجول/متر³ (50–52 مليون مكافئ جرام من المكافئ
• سمكو (نوع 2:17) : BHmax &غير متماثل؛ 240–280 كيلوجول/متر³ (30–35 مليون جالون من المكافئ النفطي
• الفريت : BHmax &غير متماثل؛ 28–36 كيلوجول/متر³ (3.5–4.5 مليون جالون من المكافئ النفطي

4. تقييم جودة المغناطيس باستخدام هذه المعلمات

المعايير الرئيسية

1. ارتفاع بر : يشير إلى توليد مجال مغناطيسي قوي.
2. ارتفاع Hc (خاصةً Hci) :يضمن مقاومة إزالة المغناطيسية.
3. BHmax مرتفع :يعكس كثافة الطاقة الإجمالية وكفاءتها.

المقايضات والتحسين

• بر ضد إتش سي :إن زيادة Hc (على سبيل المثال، عن طريق إضافة Dy) غالبًا ما يؤدي إلى تقليل Br بسبب العزم المغناطيسي المنخفض لـ Dy مقارنة بـ Nd. يتعين على الشركات المصنعة موازنة هذه العناصر لتطبيقات محددة.
• استقرار درجة الحرارة :تعطي المغناطيسات ذات درجات الحرارة العالية (على سبيل المثال، لمحركات الجر في المركبات الكهربائية) الأولوية لـ Hci على Br، وتقبل BHmax أقل قليلاً.
• قيود التكلفة :تعتبر مغناطيسات NdFeB عالية الأداء (على سبيل المثال، درجة N52SH) باهظة الثمن بسبب إضافات HRE. قد تكون المغناطيسات ذات الدرجة الأقل (على سبيل المثال، N35) كافية للتطبيقات الأقل تطلبًا.

تحليل منحنى إزالة المغناطيسية

ال  منحنى BH  (أو حلقة الهستيريسيس) توفر صورة كاملة لأداء المغناطيس:

• نسبة التربيع (Br/Bsat) : تشير النسبة القريبة من 1 إلى الحد الأدنى من حركة جدار المجال، مما يعكس قوة إكراه عالية.
• القدرة على الانعكاس :يشير منحنى BH الخطي بالقرب من الأصل إلى استقرار حراري جيد.
• نقطة الركبة :يحدث BHmax بالقرب من "الركبة" حيث ينحني المنحنى بشكل حاد إلى الأسفل، مما يشير إلى بداية إزالة المغناطيسية غير القابلة للعكس.

أمثلة عملية

• محركات السيارات الكهربائية :تتطلب BHmax عالية (>400 كيلوجول/متر³) و Hci (>(2000 كيلو أمبير/متر) للعمل بكفاءة في درجات الحرارة المرتفعة.
• مغناطيسات مكبر الصوت :إعطاء الأولوية للـ Br (>1.2 T) للحصول على خرج صوت قوي، مع Hc معتدل (~800 kA/m).
• أختام الثلاجة :استخدم مغناطيسات الفريت منخفضة التكلفة مع كمية كافية من البروم (~0.3 تيسلا) والهيدروجين (~200 كيلو أمبير/متر) للحصول على تثبيت مغناطيسي أساسي.

5. اعتبارات متقدمة

معاملات درجة الحرارة

• معامل درجة الحرارة Br (α) :عادةً -0.12 إلى -0.10%/°C لـ NdFeB، مما يعني أن Br ينخفض بنسبة ~1% لكل 10°ارتفاع ج.
• معامل درجة الحرارة Hc (&بيتا؛) : أكثر سلبية من α (على سبيل المثال، -0.6٪/°C لـ NdFeB)، مما يجعل Hc حساسًا للغاية لدرجة الحرارة.
• تعويض :تستخدم الدرجات ذات درجات الحرارة العالية (على سبيل المثال، N52SH) المنشطات HRE لتقليل &بيتا؛.

مقاومة التآكل

• يعتبر NdFeB عرضة للأكسدة بسبب محتواه التفاعلي من Nd. تعمل الطلاءات (النيكل، الزنك، الإيبوكسي) أو السبائك مع النحاس/الألمنيوم على تحسين المتانة ولكنها لا تؤثر على البروم، أو الهيدروكربون، أو البورون هيدروجين ماكس بشكل مباشر.

الخصائص الميكانيكية

• تتطلب المواد الهشة مثل NdFeB معالجة دقيقة أثناء التجميع. تتخلى المغناطيسات المرنة (على سبيل المثال، NdFeB المرتبط) عن بعض BHmax لتحسين قابلية التصنيع.

خاتمة

المعلمات  بر ,  إتش سي ، و  بي اتش ماكس  تعتبر أساسية لتقييم جودة المغناطيس الدائم:

• بر  يحدد قوة المجال.
• إتش سي  يضمن مقاومة إزالة المغناطيسية.
• بي اتش ماكس  يعكس كثافة الطاقة الإجمالية وكفاءتها.

تعمل المغناطيسات عالية الجودة على تحسين هذه المعلمات لتطبيقات محددة، وموازنة التنازلات بين الأداء واستقرار درجة الحرارة والتكلفة. وتستمر التقنيات المتقدمة مثل انتشار حدود الحبوب والتصنيع الإضافي في دفع حدود أداء المغناطيس إلى أقصى حد، مما يتيح الابتكارات في مجال الطاقة المتجددة والنقل والتقنيات الطبية. إن فهم هذه المعلمات أمر ضروري لاختيار المغناطيس المناسب لأي تطبيق معين.