لماذا يُطلق على مغناطيس النيوديميوم لقب "أقوى مغناطيس دائم"؟ ما هو الحد الأقصى النظري لقدرته على تخزين الطاقة المغناطيسية؟

1. تركيب المواد والبنية البلورية

تستمد مغناطيسات النيوديميوم قوتها من  بنية بلورية رباعية الزوايا Nd₂Fe₁₄B ، والذي يعرض:

• تباين مغناطيسي بلوري أحادي المحور عالي :تميل البلورة إلى المغناطيس بشكل تفضيلي على طول محورها c، مع مجال تباين الخواص (Hₐ) يبلغ تقريبًا  7 تسلا (T) . يضمن هذا التفضيل الاتجاهي مقاومة قوية لإزالة المغناطيسية في اتجاهات أخرى.
• مغناطيسية عالية التشبع (Js) :يمكن للمادة تحقيق مغناطيسية مشبعة لـ  ~1.6 طن (16 كجم) ، مما يمكّنها من تخزين قدر كبير من الطاقة المغناطيسية. يرجع ذلك إلى محاذاة الإلكترونات غير المزدوجة في ذرات النيوديميوم، والتي تساهم في خلق عزم ثنائي القطب المغناطيسي الكبير.
• تفاعلات تبادل قوية :يساعد ترتيب ذرات Nd وFe وB على تسهيل الاقتران المغناطيسي القوي بين الدورات الذرية المتجاورة، مما يعزز محاذاة المجال.

2. المعلمات المغناطيسية الرئيسية

(أ) البقايا (Br)

المتبقي هو كثافة التدفق المغناطيسي المتبقي بعد تشبع المغناطيس وإزالة المجال الخارجي. للمغناطيسات النيوديميوم:

• القيم النموذجية لـ Br :  1.0–1.5 T ، اعتمادًا على الدرجة (على سبيل المثال، من N35 إلى N55).
• مقارنة : أعلى من الكوبالت الساماريوم (SmCo،  0.8–1.16 T ) ومغناطيسات الفريت ( 0.35–0.45 T ).

(ب) الإكراه (Hc)

تدابير الإكراه لمقاومة إزالة المغناطيسية:

• الإكراه الطبيعي (Hcb) :  0.875–2.79 مللي أمبير/متر  (11–(35 كيلو أوم).
• الإكراه الجوهري (Hci) :أعلى من ذلك، بسبب مرحلة حدود الحبوب الغنية بالنيوديميوم التي تعزل المجالات المغناطيسية وتقلل من اقتران التبادل بين الحبيبات.
• الاعتماد على درجة الحرارة :تتناقص قيمة Hc مع ارتفاع درجة الحرارة، ولكن مغناطيسات النيوديميوم تحتفظ بالقوة القسرية بشكل أفضل من مغناطيسات الفريت (على سبيل المثال، عند 100°C، N52 يحافظ على حوالي 80٪ من درجة حرارة الغرفة (Hci).

(ج) أقصى ناتج للطاقة المغناطيسية (BHmax)

يمثل BHmax أقصى كثافة للطاقة المخزنة في المجال المغناطيسي:

• القيم النموذجية لـ BHmax :  200–420 كيلوجول/متر³ (25–52 مليون مكافئ جرام من المكافئ  للمغناطيسات NdFeB الملبدة.
• مقارنة :
  • سمكو:  160–280 كيلوجول/متر³ (20–35 مليون جالون من المكافئ النفطي .
  • الفريت:  10–36 كيلوجول/متر³ (1.2–4.5 مليون جالون من المكافئ النفطي .
  • النيكو:  10–88 كيلوجول/متر³ (1.2–11 مجم (مكافئ الذهب) .
• ميزة كثافة الطاقة :متجر مغناطيسات NdFeB  12–18 مرة طاقة أكثر لكل وحدة حجم  من مغناطيسات الفريت، مما يجعلها مثالية للتطبيقات المدمجة وعالية الأداء.

3. الحد الأعلى النظري لتخزين الطاقة المغناطيسية

يتم تقييد أقصى ناتج للطاقة (BHmax) نظريًا بواسطة المادة  مغناطيسية التشبع (Js)  و  الإكراه (Hci) . الحد المثالي مشتق من  نموذج ستونر-وولفارث ، والذي يفترض محاذاة المجال المثالية وعدم وجود حقول مغناطيسية:

أين:

• μ0​  هي نفاذية الفضاء الحر ( 4π×10&ناقص؛7H/m ).
• ج س​  هو مغناطيسية التشبع (بالتسلا).

بالنسبة لـ Nd₂Fe₁₄B ( Js​≈1.6T ):

ومع ذلك، فإن القيود العملية تقلل من هذه القيمة:

• إزالة المغناطيسية من المجالات :المجالات الداخلية تعارض المغناطيسية، مما يؤدي إلى خفض BHmax.
• عيوب حدود الحبوب :تؤدي العيوب إلى تعطيل محاذاة المجال، مما يقلل من فعالية Js.
• تأثيرات درجة الحرارة :التحريك الحراري يضعف النظام المغناطيسي عند درجات الحرارة المرتفعة.

الحدود العملية الحالية :

• مغناطيسات NdFeB الملبدة :حتى  420 كيلوجول/متر³ (52 مليون مكافئ الذهب)  للدرجات التجارية (على سبيل المثال، N55).
• حدود البحث :
  • انتشار حدود الحبوب :إن إضافة العناصر الأرضية النادرة الثقيلة (مثل Dy وTb) يعزز Hci ولكنه يقلل قليلاً من Js، مما يؤدي إلى موازنة BHmax.
  • مغناطيسات نانوية بلورية مشوهة بالحرارة : تم تحقيقه  474 كيلوجول/متر³ (59.5 مليون جالون من المكافئ النفطي)  في إعدادات المختبر عن طريق تحسين حجم الحبيبات واتجاهها.
  • التوقعات النظرية :تشير بعض الدراسات إلى أن BHmax قد يصل إلى  ~600 كيلوجول/متر³ (75 مليون مكافئ الذهب)  مع البنية النانوية المتقدمة، على الرغم من أن هذا لا يزال غير مثبت على نطاق واسع.

4. لماذا تتفوق مغناطيسات النيوديميوم على غيرها؟

• التآزر العالي بين البروم والهيدروجين :تحقق مغناطيسات NdFeB توازنًا نادرًا بين المغناطيسية المتبقية القوية والقوة القسرية، مما يتيح الحصول على BHmax عالية.
• فعالية التكلفة :على الرغم من ارتفاع تكاليف المواد الخام، فإن كثافة الطاقة العالية تقلل من الحجم (وبالتالي التكلفة) اللازم لتطبيق معين.
• التنوع :تستخدم في المركبات الكهربائية، وطواحين الهواء، وأجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي الطبي، والإلكترونيات الاستهلاكية بسبب حجمها الصغير وأدائها العالي.

5. القيود والاتجاهات المستقبلية

• حساسية درجة الحرارة :تفقد مغناطيسات NdFeB قوتها القسرية فوق  150–200°C ، مما يحد من الاستخدام في البيئات ذات درجات الحرارة العالية. مغناطيسات SmCo (درجة حرارة كوري:  700–850°C ) يتم تفضيلها هنا على الرغم من انخفاض BHmax.
• ضعف التآكل :النيوديميوم شديد التفاعل؛ لذا فإن الطلاءات (مثل النيكل والزنك والإيبوكسي) مطلوبة لمنع الأكسدة.
• الاعتماد على العناصر الأرضية النادرة :يعتبر النوديوم مادة خام بالغة الأهمية ذات مخاطر تتعلق بسلسلة التوريد. يركز البحث على:
  • الحد من الاستخدام المكثف للمعادن النادرة :تطوير مغناطيسات خالية من الداي أو منخفضة الداي من خلال هندسة حدود الحبوب.
  • المواد البديلة :استكشاف سبائك FeN أو MnBi أو Fe₁₆N₂، على الرغم من عدم وجود أي منها يطابق NdFeB حاليًا’s BHmax.

خاتمة

تعد مغناطيسات النيوديميوم أقوى المغناطيسات الدائمة بسبب بنيتها البلورية الفريدة Nd₂Fe₁₄B، والتي تجمع بين القدرة العالية على البقاء والإكراه والطاقة الناتجة. في حين أن الحد الأقصى النظري لـ BHmax هو  ~804 كيلوجول/متر³ (101 مكافئ جرام من المكافئ) ، القيود العملية تضع حدًا أقصى لها  ~420 كيلوجول/متر³ (52 مليون مكافئ الذهب)  للدرجات التجارية. تهدف الأبحاث الجارية إلى دفع هذه الحدود من خلال البناء النانوي والابتكار في المواد، مما يضمن بقاء مغناطيسات NdFeB ضرورية في التطبيقات عالية الأداء لعقود قادمة.