Koja su specifična fizička značenja parametara kao što su rezidualni magnetizam (Br), koercitivna sila (Hc) i maksimalni produkt magnetske energije (BHmax)? Kako procijeniti kvalitetu magneta putem ovih parametara?

1. Zaostali magnetizam (Br)

Fizičko značenje

Rezidualni magnetizam (Br), također nazvan  remanencija , je gustoća magnetskog toka (B) koja ostaje u magnetu nakon što je magnetiziran do zasićenja, a zatim se vanjsko magnetsko polje (H) smanji na nulu. Mjeri se u  Tesla (T)  ili  Gauss (G)  (1 T = 10,000 G).

• Podrijetlo Br nastaje poravnanjem magnetskih domena u materijalu tijekom magnetizacije. Kada se vanjsko polje ukloni, neke domene ostaju poravnate zbog jake magnetokristalne anizotropije i interakcija izmjene, zadržavajući neto magnetski moment.
• Značaj Br predstavlja "izlaznu snagu" magneta u odsutnosti vanjskog polja. Viši Br znači da magnet može generirati jače magnetsko polje bez pomoći.

Čimbenici koji utječu na Br

• Sastav materijala Čisti Nd₂Fe₁₄B ima visok udio Br (~1.3–1,4 T), ali legiranje s Dy ili Tb može neznatno smanjiti Br uz poboljšanje koercitivnosti.
• Kristalna struktura Tetragonalna struktura NdFeB-a pruža snažnu jednoosnu anizotropiju, pojačavajući Br.
• Mikrostruktura Veličina zrna, orijentacija i defekti utječu na poravnanje domene. Monokristalni ili visoko orijentirani polikristalni magneti pokazuju veći Br.
• Temperatura Br se smanjuje s porastom temperature zbog toplinskog potresanja koje narušava poravnanje domena.

Tipične vrijednosti

• NdFeB (razred N52) Br &asimptom; 1.45–1.50 T
• SmCo (tip 2:17) Br &asimptom; 1.00–1.15 T
• Ferit (SrFe₁₂O₁₉) Br &asimptom; 0.35–0.45 T

2. Koercitivna sila (Hc)

Fizičko značenje

Koercitivna sila (Hc) je vanjsko magnetsko polje (H) potrebno za smanjenje preostalog magnetizma (Br) na nulu nakon zasićenja. Mjeri se u  Prijepodne/mjesečno  ili  Oersted (Oe)  (1 A/m ≈ 0,0125 Oe).

• Vrste :
  • Normalna koercitivnost (Hcb) Polje potrebno za demagnetiziranje magneta duž njegove lake osi (c-os u NdFeB).
  • Intrinzična koercitivnost (Hci) Polje potrebno za preokretanje magnetizacije pojedinačnih zrna, što odražava otpornost materijala na nepovratnu demagnetizaciju. Hci je uvijek ≥ Hcb.
• Značaj Hc određuje sposobnost magneta da se odupre demagnetizaciji uzrokovanoj vanjskim poljima, toplinskim fluktuacijama ili mehaničkim naprezanjima. Visok Hc je ključan za primjene koje uključuju obrnuta polja ili visoke temperature.

Čimbenici koji utječu na Hc

• Magnetokristalna anizotropija Materijali s visokom anizotropijom (npr. NdFeB, SmCo) imaju viši Hc.
• Faza granica zrna U sinteriranim NdFeB magnetima, Nd-bogata faza na granicama zrna izolira zrna, smanjujući međugranularnu izmjenu i povećavajući Hc.
• Dopiranje teškim rijetkim zemnim elementima (HRE) Dodavanje Dy ili Tb formira (Nd,Dy)₂Fe₁₄B faze s većom anizotropijom, pojačavajući Hci.
• Temperatura Hc se smanjuje s temperaturom zbog smanjenih energetskih barijera anizotropije.

Tipične vrijednosti

• NdFeB (razred N52) Hcb &asimp; 955 kA/m (12 kOe), Hci &asimp; 2100 kA/m (26,4 kOe)
• SmCo (tip 2:17) Hcb &asimptom; 796 kA/m (10 kOe), Hci &asimptom; 1592 kA/m (20 kOe)
• Ferit Hcb &asimptom; 159–239 kA/m (2–3 kOe)

3. Maksimalni magnetski energetski produkt (BHmax)

Fizičko značenje

The  maksimalni produkt magnetske energije (BHmax)  je vršna vrijednost umnoška gustoće magnetskog toka (B) i jakosti magnetskog polja (H) na  krivulja demagnetizacije (BH krivulja) . Mjeri se u  J/m³ ili  MGOe  (1 MGOe ≈ 7,96 kJ/m³).

• Fizička interpretacija BHmax predstavlja maksimalnu energiju pohranjenu u magnetskom polju po jedinici volumena. Veći BHmax znači da magnet može isporučiti više mehaničkog rada (npr. u motorima) ili održavati jače polje s manje materijala.
• Izračun BHmax se određuje množenjem B i H u svakoj točki krivulje demagnetizacije i određivanjem maksimalne vrijednosti.

Značaj

• Učinkovitost BHmax je najvažniji parametar za procjenu performansi magneta. Magnet s visokim BHmax-om zahtijeva manji volumen za postizanje iste jakosti polja, štedeći prostor i težinu.
• Isplativost Magneti s višim BHmaxom često opravdavaju svoju višu cijenu zbog smanjene upotrebe materijala.

Čimbenici koji utječu na BHmax

• Ravnoteža Br i Hc BHmax je maksimiziran kada magnet radi blizu "koljena" krivulje demagnetizacije, gdje su i B i H visoki. To zahtijeva optimalnu ravnotežu između Br i Hc.
• Čistoća materijala Nečistoće smanjuju BHmax uvođenjem defekata koji remete poravnanje domena.
• Proizvodni proces Vruće prešanje, tlačno nabijanje ili difuzija po granicama zrna mogu povećati BHmax poboljšanjem mikrostrukturne ujednačenosti.

Tipične vrijednosti

• NdFeB (razred N52) BHmax &asimptom; 400–420 kJ/m³ (50–52 MGOe)
• SmCo (tip 2:17) BHmax &asimptom; 240–280 kJ/m³ (30–35 MGOe)
• Ferit BHmax &asimptom; 28–36 kJ/m³ (3.5–4,5 MGOe)

4. Procjena kvalitete magneta pomoću ovih parametara

Ključni kriteriji

1. Visoki Br : Označava stvaranje jakog magnetskog polja.
2. Visok Hc (posebno HCl) Osigurava otpornost na demagnetizaciju.
3. Visoki BHmax Odražava ukupnu gustoću energije i učinkovitost.

Kompromisi i optimizacija

• Br vs. Hc Povećanje Hc (npr. dodavanjem Dy) često smanjuje Br zbog nižeg magnetskog momenta Dy u usporedbi s Nd. Proizvođači moraju uravnotežiti ovo za specifične primjene.
• Temperaturna stabilnost Visokotemperaturni magneti (npr. za vučne motore električnih vozila) daju prioritet Hci nad Br, prihvaćajući nešto niži BHmax.
• Ograničenja troškova Visokoučinkoviti NdFeB magneti (npr. kvalitete N52SH) su skupi zbog dodataka HRE. Za manje zahtjevne primjene mogu biti dovoljni magneti niže klase (npr. N35).

Analiza krivulje demagnetizacije

The  BH krivulja  (ili histerezisna petlja) pruža potpunu sliku performansi magneta:

• Omjer kvadratnosti (Br/Bsat) Omjer blizak 1 ukazuje na minimalno pomicanje domenskih stijenki, što odražava visoku koercitivnost.
• Reverzibilnost Linearna BH krivulja blizu ishodišta ukazuje na dobru toplinsku stabilnost.
• Točka koljena BHmax se javlja blizu "koljena" gdje se krivulja oštro savija prema dolje, što ukazuje na početak nepovratne demagnetizacije.

Praktični primjeri

• Motori električnih vozila Zahtijeva visoki BHmax (>400 kJ/m³) i Hci (>2000 kA/m) za učinkovit rad na povišenim temperaturama.
• Magneti za zvučnike Dajte prednost visokom Br (>1,2 T) za snažan zvučni izlaz, s umjerenim Hc (~800 kA/m).
• Brtve za hladnjak Za osnovno magnetsko držanje koristite jeftine feritne magnete s dovoljno Br (~0,3 T) i Hc (~200 kA/m).

5. Napredna razmatranja

Temperaturni koeficijenti

• Br temperaturni koeficijent (α) Tipično -0,12 do -0,10 %/°C za NdFeB, što znači da se Br smanjuje za ~1% po 10°C uspon.
• Hc temperaturni koeficijent (β) Negativnije od α (npr. -0,6 %/°C za NdFeB), što Hc čini vrlo osjetljivim na temperaturu.
• Kompenzacija Visokotemperaturne vrste (npr. N52SH) koriste HRE dopiranje za smanjenje β.

Otpornost na koroziju

• NdFeB je sklon oksidaciji zbog reaktivnog sadržaja Nd. Premazi (Ni, Zn, epoksid) ili legiranje s Cu/Al poboljšavaju trajnost, ali ne utječu izravno na Br, Hc ili BHmax.

Mehanička svojstva

• Krhki materijali poput NdFeB-a zahtijevaju pažljivo rukovanje tijekom montaže. Fleksibilni magneti (npr. vezani NdFeB) žrtvuju dio BHmax-a za poboljšanu obradivost.

Zaključak

Parametri  Br ,  Hc i  BHmax  su temeljni za procjenu kvalitete permanentnih magneta:

• Br  određuje jačinu polja.
• Hc  osigurava otpornost na demagnetizaciju.
• BHmax  odražava ukupnu gustoću energije i učinkovitost.

Visokokvalitetni magneti optimiziraju ove parametre za specifične primjene, balansirajući kompromise između performansi, temperaturne stabilnosti i cijene. Napredne tehnike poput difuzije na granicama zrna i aditivne proizvodnje nastavljaju pomicati granice performansi magneta, omogućujući inovacije u obnovljivim izvorima energije, transportu i medicinskim tehnologijama. Razumijevanje ovih parametara ključno je za odabir pravog magneta za bilo koju primjenu.