معانی فیزیکی خاص پارامترهایی مانند مغناطیس پسماند (Br)، نیروی وادارندگی (Hc) و حداکثر حاصلضرب انرژی مغناطیسی (BHmax) چیست؟ چگونه می‌توان کیفیت آهنرباها را از طریق این پارامترها قضاوت کرد؟

1. مغناطیس پسماند (Br)

معنای فیزیکی

مغناطیس پسماند (Br)، که به آن مغناطیس پسماند نیز گفته می‌شود  ماندگاری ، چگالی شار مغناطیسی (B) باقی مانده در یک آهنربا پس از مغناطیس شدن تا اشباع و سپس کاهش میدان مغناطیسی خارجی (H) به صفر است. در آن اندازه گیری می شود  تسلا (تی)  یا  گاوس (G)  (1 T = 10,000 G).

• مبدا : Br از هم‌ترازی حوزه‌های مغناطیسی در ماده در طول مغناطش ناشی می‌شود. وقتی میدان خارجی حذف می‌شود، برخی از حوزه‌ها به دلیل ناهمسانگردی مغناطیسی-بلوری قوی و برهمکنش‌های تبادلی، هم‌راستا باقی می‌مانند و گشتاور مغناطیسی خالص را حفظ می‌کنند.
• اهمیت : Br نشان دهنده "قدرت خروجی" آهنربا در غیاب میدان خارجی است. Br بالاتر به این معنی است که آهنربا می‌تواند بدون کمک، میدان مغناطیسی قوی‌تری تولید کند.

عوامل مؤثر بر Br

• ترکیب مواد Nd₂Fe₁₄B خالص دارای Br بالایی (حدود ۱.3–۱.۴ T)، اما آلیاژسازی با Dy یا Tb می‌تواند Br را کمی کاهش دهد و در عین حال وادارندگی را بهبود بخشد.
• ساختار کریستالی ساختار تتراگونال NdFeB ناهمسانگردی تک محوری قوی ایجاد می‌کند و Br را افزایش می‌دهد.
• ریزساختار اندازه دانه، جهت‌گیری و نقص‌ها بر هم‌ترازی دمین‌ها تأثیر می‌گذارند. آهنرباهای تک کریستالی یا پلی کریستالی با جهت گیری بالا، Br بالاتری از خود نشان می‌دهند.
• دما : با افزایش دما، Br کاهش می‌یابد که به دلیل برهم خوردن هم‌ترازی دمین‌ها توسط هم‌زنی حرارتی است.

مقادیر معمول

• NdFeB (گرید N52) : بی‌نظمی &Br؛ ۱.45–1.50 T
• SmCo (نوع ۲:۱۷) : بی‌نظمی &Br؛ ۱.00–1.15 T
• فریت (SrFe₁₂O₁₉) : بی‌نظمی &Br؛ 0.35–0.45 T

2. نیروی قهری (Hc)

معنای فیزیکی

نیروی وادارنده (Hc) میدان مغناطیسی خارجی (H) مورد نیاز برای کاهش مغناطیس پسماند (Br) به صفر پس از اشباع است. در آن اندازه گیری می شود  الف/م  یا  اورستد (Oe)  (1 A/m &asymp؛ 0.0125 Oe).

• انواع :
  • وادارندگی عادی (Hcb) میدان مورد نیاز برای مغناطیس‌زدایی آهنربا در امتداد محور آسان آن (محور c در NdFeB).
  • وادارندگی ذاتی (Hci) میدان مورد نیاز برای معکوس کردن مغناطش تک تک دانه‌ها، که نشان دهنده مقاومت ماده در برابر مغناطیس‌زدایی برگشت‌ناپذیر است. Hci همیشه &ge است؛ Hcb.
• اهمیت : Hc توانایی آهنربا را در مقاومت در برابر مغناطیس‌زدایی در برابر میدان‌های خارجی، نوسانات حرارتی یا فشار مکانیکی تعیین می‌کند. Hc بالا برای کاربردهایی که شامل میدان‌های معکوس یا دماهای بالا هستند، بسیار مهم است.

عوامل مؤثر بر Hc

• ناهمسانگردی مغناطیسی-بلوری موادی با ناهمسانگردی بالا (مثلاً NdFeB، SmCo) Hc بالاتری دارند.
• فاز مرز دانه در آهنرباهای NdFeB زینتر شده، فاز مرز دانه غنی از Nd، دانه‌ها را ایزوله می‌کند، کوپلینگ تبادلی بین دانه‌ای را کاهش و Hc را افزایش می‌دهد.
• دوپینگ عناصر خاکی کمیاب سنگین (HRE) اضافه کردن فازهای Dy یا Tb (Nd,Dy)₂Fe₁₄B با ناهمسانگردی بالاتر، Hci را افزایش می‌دهد.
• دما : Hc به دلیل کاهش موانع انرژی ناهمسانگردی، با افزایش دما کاهش می‌یابد.

مقادیر معمول

• NdFeB (گرید N52) : Hcb &بی‌تابع؛ ۹۵۵ کیلوآمپر بر متر (۱۲ کیلواونس)، Hci &بی‌تابع؛ ۲۱۰۰ کیلوآمپر بر متر (۲۶.۴ کیلواونس)
• SmCo (نوع ۲:۱۷) : Hcb &بی‌تابع؛ ۷۹۶ کیلوآمپر بر متر (۱۰ کیلواونس)، Hci &بی‌تابع؛ ۱۵۹۲ کیلوآمپر بر متر (۲۰ کیلواونس)
• فریت : Hcb &بی‌علامت؛ 159–۲۳۹ کیلوآمپر بر متر (2–۳ کیلو اوره)

3. حداکثر حاصلضرب انرژی مغناطیسی (BHmax)

معنای فیزیکی

The  حداکثر حاصلضرب انرژی مغناطیسی (BHmax)  مقدار پیک حاصلضرب چگالی شار مغناطیسی (B) و شدت میدان مغناطیسی (H) روی  منحنی مغناطیس‌زدایی (منحنی BH) . در آن اندازه گیری می شود  ژول بر متر مربع³ یا  MGOe  (1 MGOe &asymp؛ 7.96 کیلوژول بر متر³).

• تفسیر فیزیکی : BHmax نشان دهنده حداکثر انرژی ذخیره شده در میدان مغناطیسی در واحد حجم است. BHmax بالاتر به این معنی است که آهنربا می‌تواند کار مکانیکی بیشتری (مثلاً در موتورها) ارائه دهد یا میدان قوی‌تری را با ماده کمتر حفظ کند.
• محاسبه : BHmax با ضرب B و H در هر نقطه روی منحنی مغناطیس‌زدایی و شناسایی حداکثر مقدار بدست می‌آید.

اهمیت

• کارایی : BHmax مهمترین پارامتر برای ارزیابی عملکرد آهنربا است. یک آهنربا با BHmax بالا برای دستیابی به همان قدرت میدان به حجم کمتری نیاز دارد و در نتیجه در فضا و وزن صرفه‌جویی می‌کند.
• مقرون به صرفه بودن آهنرباهای BHmax بالاتر اغلب به دلیل کاهش استفاده از مواد، هزینه بالاتر خود را توجیه می‌کنند.

عوامل مؤثر بر BHmax

• تعادل Br و Hc : BHmax زمانی به حداکثر می‌رسد که آهنربا در نزدیکی "زانوی" منحنی مغناطیس‌زدایی عمل کند، جایی که B و H هر دو بالا هستند. این امر مستلزم تعادل بهینه بین Br و Hc است.
• خلوص مواد ناخالصی‌ها با ایجاد نقص‌هایی که هم‌ترازی دامنه را مختل می‌کنند، BHmax را کاهش می‌دهند.
• فرآیند تولید پرس گرم، قالب‌گیری ضربه‌ای یا نفوذ مرز دانه‌ای می‌توانند با بهبود یکنواختی ریزساختار، BHmax را افزایش دهند.

مقادیر معمول

• NdFeB (گرید N52) : BHmax &بی‌هیمپ؛ 400–۴۲۰ کیلوژول بر متر مربع³ (50–۵۲ مگاژول
• SmCo (نوع ۲:۱۷) : BHmax &بی‌هیمپ؛ 240–۲۸۰ کیلوژول بر متر مربع³ (30–۳۵ مگاژول
• فریت : BHmax &بی‌هیمپ؛ 28–۳۶ کیلوژول بر متر مربع³ (3.5–۴.۵ مگاژول

4. قضاوت در مورد کیفیت آهنربا با استفاده از این پارامترها

معیارهای کلیدی

1. برم بالا : نشان دهنده تولید میدان مغناطیسی قوی است.
2. Hc بالا (به خصوص Hci) : مقاومت در برابر مغناطیس‌زدایی را تضمین می‌کند.
3. حداکثر وزن مخصوص بالا (BHmax) : نشان‌دهنده چگالی و راندمان کلی انرژی است.

بده‌بستان‌ها و بهینه‌سازی

• بر در مقابل اچ سی : افزایش Hc (مثلاً با افزودن Dy) اغلب به دلیل گشتاور مغناطیسی کمتر Dy در مقایسه با Nd، Br را کاهش می‌دهد. تولیدکنندگان باید این موارد را برای کاربردهای خاص متعادل کنند.
• پایداری دما آهنرباهای دما بالا (مثلاً برای موتورهای کششی وسایل نقلیه الکتریکی) Hci را بر Br اولویت می‌دهند و BHmax کمی پایین‌تری را می‌پذیرند.
• محدودیت‌های هزینه آهنرباهای NdFeB با کارایی بالا (مثلاً گرید N52SH) به دلیل افزودن HRE گران هستند. آهنرباهای درجه پایین (مثلاً N35) ممکن است برای کاربردهای کم‌دردسرتر کافی باشند.

تحلیل منحنی مغناطیس‌زدایی

The  منحنی BH  (یا حلقه هیسترزیس) تصویر کاملی از عملکرد آهنربا ارائه می‌دهد:

• نسبت مربع بودن (Br/Bsat) نسبت نزدیک به ۱ نشان دهنده حداقل حرکت دیواره دامنه است که منعکس کننده وادارندگی بالا می‌باشد.
• برگشت پذیری منحنی خطی BH نزدیک به مبدا، پایداری حرارتی خوبی را نشان می‌دهد.
• نقطه زانو : BHmax در نزدیکی "زانو" رخ می‌دهد، جایی که منحنی به شدت به سمت پایین خم می‌شود و نشان دهنده شروع مغناطیس‌زدایی برگشت‌ناپذیر است.

مثال‌های عملی

• موتورهای وسایل نقلیه الکتریکی نیاز به حداکثر وزن مخصوص (BHmax) بالا>۴۰۰ کیلوژول بر متر مربع³) و Hci (>۲۰۰۰ کیلوآمپر بر متر) برای عملکرد کارآمد در دماهای بالا.
• آهنرباهای بلندگو اولویت را به Br بالا بدهید (>۱.۲ تسلا) برای خروجی صدای قوی، با Hc متوسط (~۸۰۰ کیلوآمپر بر متر).
• درزگیرهای یخچال برای نگهداری مغناطیسی اولیه، از آهنرباهای فریت ارزان قیمت با Br کافی (حدود ۰.۳ تسلا) و Hc کافی (حدود ۲۰۰ کیلوآمپر بر متر) استفاده کنید.

5. ملاحظات پیشرفته

ضرایب دما

• ضریب دمایی Br (α) : معمولاً -0.12 تا -0.10 %/°C برای NdFeB، به این معنی که Br به ازای هر ... تقریباً 1٪ کاهش می‌یابد. 10°ظهور سی.
• ضریب دمایی Hc (&بتا؛) : منفی‌تر از α (مثلاً، -0.6 %/°C برای NdFeB)، که Hc را به شدت به دما حساس می‌کند.
• جبران خسارت گریدهای مقاوم در برابر حرارت بالا (مثلاً N52SH) از آلایش HRE برای کاهش &بتا استفاده می‌کنند.

مقاومت در برابر خوردگی

• NdFeB به دلیل محتوای Nd واکنش‌پذیر خود، مستعد اکسیداسیون است. پوشش‌ها (نیکل، روی، اپوکسی) یا آلیاژسازی با Cu/Al دوام را بهبود می‌بخشند اما مستقیماً بر Br، Hc یا BHmax تأثیر نمی‌گذارند.

خواص مکانیکی

• مواد شکننده مانند NdFeB نیاز به جابجایی دقیق در حین مونتاژ دارند. آهنرباهای انعطاف‌پذیر (مثلاً NdFeB پیوندی) مقداری از BHmax را برای بهبود قابلیت ماشینکاری از دست می‌دهند.

نتیجه‌گیری

پارامترها  بر ,  اچ سی ، و  بی اچ مکس  برای ارزیابی کیفیت آهنربای دائمی اساسی هستند:

• بر  قدرت میدان را تعیین می‌کند.
• اچ سی  مقاومت در برابر مغناطیس‌زدایی را تضمین می‌کند.
• بی اچ مکس  نشان دهنده چگالی و راندمان کلی انرژی است.

آهنرباهای با کیفیت بالا این پارامترها را برای کاربردهای خاص بهینه می‌کنند و تعادل بین عملکرد، پایداری دما و هزینه را برقرار می‌کنند. تکنیک‌های پیشرفته‌ای مانند انتشار مرز دانه و تولید افزایشی همچنان محدودیت‌های عملکرد آهنربا را کنار می‌زنند و نوآوری‌هایی را در انرژی‌های تجدیدپذیر، حمل و نقل و فناوری‌های پزشکی امکان‌پذیر می‌سازند. درک این پارامترها برای انتخاب آهنربای مناسب برای هر کاربرد خاص ضروری است.