Smagnetizzazione reversibile e irreversibile nei magneti Alnico e intensità del campo di smagnetizzazione critica

1. Introduzione ai magneti Alnico

I magneti in Alnico, composti principalmente da alluminio (Al), nichel (Ni), cobalto (Co) e ferro (Fe), sono un tipo di magnete permanente noto per la sua eccellente stabilità termica e l'elevata rimanenza. Questi magneti sono stati ampiamente utilizzati in varie applicazioni, tra cui motori, sensori, altoparlanti e componenti aerospaziali, grazie alle loro proprietà magnetiche uniche. Tuttavia, i magneti in Alnico presentano anche alcune caratteristiche, come la bassa coercività, che li rendono suscettibili alla smagnetizzazione in condizioni specifiche. Comprendere i concetti di smagnetizzazione reversibile e irreversibile, nonché l'intensità critica del campo di smagnetizzazione, è fondamentale per ottimizzare le prestazioni e l'affidabilità dei dispositivi basati su Alnico.

2. Proprietà magnetiche dei magneti Alnico

2.1 Parametri magnetici chiave

• Rimanenza (Br) : la densità di flusso magnetico residuo che rimane nel magnete dopo la rimozione di un campo magnetizzante esterno. I magneti in Alnico presentano in genere valori di rimanenza elevati, compresi tra 0,53 T e 1,35 T, a seconda della composizione specifica della lega e del processo di fabbricazione.
• Coercività (Hc) : l'intensità del campo magnetico inverso necessaria per ridurre la rimanenza a zero. I magneti in Alnico hanno valori di coercività relativamente bassi, solitamente inferiori a 160 kA/m, il che li rende più inclini alla smagnetizzazione rispetto ad altri materiali magnetici permanenti come NdFeB o ferrite.
• Prodotto di energia massima (BH)max : misura della capacità di accumulo di energia magnetica del magnete. I magneti in Alnico presentano valori di BHmax moderati, tipicamente compresi tra 5 e 50 kJ/m³, il che ne limita l'utilizzo in applicazioni che richiedono un'elevata densità di energia magnetica.

2.2 Dipendenza dalla temperatura delle proprietà magnetiche

Uno dei vantaggi più significativi dei magneti in Alnico è la loro eccellente stabilità termica. I magneti in Alnico presentano un basso coefficiente di rimanenza a temperatura, tipicamente intorno a -0,02%/°C, il che significa che la loro rimanenza diminuisce solo leggermente con l'aumentare della temperatura. Inoltre, i magneti in Alnico possono funzionare ad alte temperature, con alcuni gradi in grado di resistere a temperature fino a 550-600°C senza una significativa degradazione delle proprietà magnetiche. Questa stabilità termica rende i magneti in Alnico adatti ad applicazioni in ambienti ad alta temperatura dove altri materiali magnetici permanenti non funzionerebbero.

3. Smagnetizzazione reversibile nei magneti Alnico

3.1 Definizione e meccanismo

La smagnetizzazione reversibile si riferisce alla riduzione temporanea della densità di flusso magnetico di un magnete quando sottoposto a un campo magnetico inverso esterno o a fluttuazioni termiche, che può essere completamente recuperata rimuovendo l'influenza esterna. Nei magneti in Alnico, la smagnetizzazione reversibile si verifica a causa della rotazione dei domini magnetici all'interno del materiale in risposta al campo esterno o alle variazioni di temperatura. Poiché la rotazione dei domini è di natura elastica, il magnete torna al suo stato originale una volta rimossa l'influenza esterna.

3.2 Fattori che influenzano la smagnetizzazione reversibile

• Campo magnetico esterno : l'applicazione di un campo magnetico inverso provoca la rotazione dei domini magnetici, riducendo la magnetizzazione complessiva del magnete. L'entità della smagnetizzazione reversibile dipende dall'intensità e dalla durata del campo inverso.
• Temperatura : le fluttuazioni di temperatura possono anche causare una smagnetizzazione reversibile influenzando l'energia termica dei domini magnetici. All'aumentare della temperatura, l'energia termica supera l'energia di fissaggio delle pareti dei domini, consentendo ai domini di ruotare più liberamente e riducendo la magnetizzazione. Tuttavia, questo effetto è reversibile e la magnetizzazione si ripristina con il raffreddamento.

3.3 Rappresentazione matematica

La smagnetizzazione reversibile può essere rappresentata matematicamente dalla seguente equazione:

Dove:

• B è la densità del flusso magnetico in un dato campo inverso H ,
• Br​ è la rimanenza,
• μ0​ è la permeabilità dello spazio libero,
• μr​ è la permeabilità relativa reversibile del magnete,
• H è il campo magnetico inverso esterno.

La permeabilità relativa reversibile μr è una misura della capacità del magnete di subire una smagnetizzazione reversibile e in genere è compresa tra 3 e 7 per i magneti Alnico.

4. Smagnetizzazione irreversibile nei magneti Alnico

4.1 Definizione e meccanismo

La smagnetizzazione irreversibile si riferisce alla riduzione permanente della densità di flusso magnetico di un magnete quando sottoposto a un campo magnetico inverso esterno o a fluttuazioni termiche che superano una certa soglia critica. A differenza della smagnetizzazione reversibile, la smagnetizzazione irreversibile comporta il movimento irreversibile o l'annichilazione dei domini magnetici, con conseguente perdita permanente di magnetizzazione. Nei magneti in Alnico, la smagnetizzazione irreversibile si verifica quando il campo magnetico inverso supera la coercività del magnete, causando il movimento irreversibile delle pareti dei domini e il riorientamento dei domini nella direzione del campo inverso.

4.2 Fattori che influenzano la smagnetizzazione irreversibile

• Campo magnetico esterno : il fattore principale che causa la smagnetizzazione irreversibile è l'applicazione di un campo magnetico inverso che supera la coercitività del magnete. L'intensità e la durata del campo inverso determinano l'entità della smagnetizzazione irreversibile.
• Temperatura : le alte temperature possono anche causare una smagnetizzazione irreversibile riducendo la coercitività del magnete e facilitando il movimento delle pareti del dominio. Inoltre, i cicli termici possono portare alla crescita dei bordi dei grani e alla formazione di difetti, che possono fungere da siti di nucleazione per il movimento irreversibile delle pareti del dominio.
• Stress meccanico : anche lo stress meccanico, come vibrazioni o urti, può causare una smagnetizzazione irreversibile, influenzando la struttura del dominio magnetico. Il movimento delle pareti del dominio indotto dallo stress può portare a una perdita permanente di magnetizzazione.

4.3 Rappresentazione matematica

La smagnetizzazione irreversibile può essere rappresentata dallo spostamento della curva di smagnetizzazione (nota anche come ciclo di isteresi) del magnete. Una volta che il magnete subisce una smagnetizzazione irreversibile, la sua curva di smagnetizzazione si sposta verso sinistra, indicando una riduzione permanente della rimanenza e della coercitività. L'entità dello spostamento dipende dall'entità del campo inverso o dalle fluttuazioni termiche che hanno causato la smagnetizzazione irreversibile.

5. Intensità del campo di smagnetizzazione critica nei magneti Alnico

5.1 Definizione e significato

L'intensità critica del campo di smagnetizzazione (H_d,crit) è l'intensità minima del campo magnetico inverso necessaria per causare la smagnetizzazione irreversibile di un magnete. È un parametro cruciale per valutare la resistenza alla smagnetizzazione dei magneti permanenti e per progettare circuiti magnetici che garantiscano il funzionamento del magnete entro la sua area operativa sicura (SOA). Nei magneti in Alnico, l'intensità critica del campo di smagnetizzazione è strettamente correlata alla coercività del magnete, ma è anche influenzata da altri fattori come la forma, le dimensioni e la temperatura di esercizio del magnete.

5.2 Determinazione dell'intensità del campo di smagnetizzazione critica

L'intensità critica del campo di smagnetizzazione può essere determinata sperimentalmente sottoponendo il magnete a campi magnetici inversi crescenti e misurando le variazioni di magnetizzazione risultanti. Il punto in cui la magnetizzazione non si ripristina più dopo la rimozione del campo inverso è considerato l'intensità critica del campo di smagnetizzazione. In alternativa, l'intensità critica del campo di smagnetizzazione può essere stimata utilizzando modelli teorici che tengono conto delle proprietà magnetiche e della geometria del magnete.

5.3 Fattori che influenzano l'intensità del campo di smagnetizzazione critica

• Coercività : la coercività del magnete è il fattore principale che determina l'intensità critica del campo di smagnetizzazione. I magneti in Alnico con valori di coercività più elevati presentano intensità critiche del campo di smagnetizzazione più elevate e sono più resistenti alla smagnetizzazione irreversibile.
• Forma e dimensione del magnete : anche la forma e le dimensioni del magnete possono influenzare l'intensità del campo di smagnetizzazione critica. I magneti lunghi e sottili sono più suscettibili alla smagnetizzazione a causa degli elevati campi di smagnetizzazione alle loro estremità, mentre i magneti corti e spessi hanno intensità del campo di smagnetizzazione critica più elevate.
• Temperatura di esercizio : la temperatura di esercizio del magnete influenza la sua coercività e, di conseguenza, l'intensità del campo di smagnetizzazione critica. All'aumentare della temperatura, la coercività diminuisce, riducendo l'intensità del campo di smagnetizzazione critica e rendendo il magnete più soggetto a smagnetizzazione irreversibile.

5.4 Valori tipici per i magneti Alnico

L'intensità critica del campo di smagnetizzazione per i magneti in Alnico varia a seconda della composizione specifica della lega e del processo di fabbricazione. Tuttavia, come linea guida generale, i magneti in Alnico presentano tipicamente intensità critiche del campo di smagnetizzazione comprese tra 80 e 160 kA/m. Ciò significa che campi magnetici inversi che superano questi valori possono causare una smagnetizzazione irreversibile nei magneti in Alnico, con conseguente perdita permanente della magnetizzazione.

6. Implicazioni pratiche e strategie di mitigazione

6.1 Considerazioni progettuali per circuiti magnetici

Quando si progettano circuiti magnetici utilizzando magneti Alnico, è essenziale garantire che il magnete operi all'interno della sua area di sicurezza per evitare una smagnetizzazione irreversibile. Ciò comporta:

• Calcolo del campo di smagnetizzazione : il campo di smagnetizzazione all'interno del circuito magnetico deve essere calcolato per garantire che non superi l'intensità critica del campo di smagnetizzazione del magnete. Questo può essere fatto utilizzando l'analisi agli elementi finiti (FEA) o altre tecniche di modellazione dei circuiti magnetici.
• Ottimizzazione della geometria del magnete : la forma e le dimensioni del magnete devono essere ottimizzate per ridurre al minimo il campo di smagnetizzazione e massimizzare l'intensità critica del campo di smagnetizzazione. Ad esempio, l'utilizzo di magneti corti e spessi o di magneti con un elevato rapporto di aspetto può contribuire a ridurre il campo di smagnetizzazione.
• Incorporazione di materiali magnetici morbidi : materiali magnetici morbidi, come ferro o acciaio al silicio, possono essere utilizzati nel circuito magnetico per proteggere il magnete Alnico dai campi inversi esterni e ridurre il campo di smagnetizzazione all'interno del magnete.

6.2 Gestione della temperatura di esercizio

Poiché l'intensità critica del campo di smagnetizzazione dei magneti Alnico diminuisce con l'aumentare della temperatura, è importante gestire la temperatura di esercizio del magnete per evitare una smagnetizzazione irreversibile. Questo può essere ottenuto:

• Progettazione termica : il circuito magnetico deve essere progettato per dissipare efficacemente il calore e mantenere il magnete entro l'intervallo di temperatura di funzionamento sicuro. Ciò può comportare l'utilizzo di dissipatori di calore, ventole o altri meccanismi di raffreddamento.
• Monitoraggio della temperatura : i sensori di temperatura possono essere incorporati nel circuito magnetico per monitorare la temperatura del magnete e attivare misure di protezione, come la riduzione del carico o lo spegnimento del dispositivo, se la temperatura supera una certa soglia.

6.3 Tecniche di stabilizzazione magnetica

Per aumentare la resistenza alla smagnetizzazione dei magneti Alnico, è possibile impiegare diverse tecniche di stabilizzazione, tra cui:

• Pre-magnetizzazione : il magnete può essere pre-magnetizzato a un livello di campo elevato prima di essere installato nel circuito magnetico. Ciò aiuta ad allineare i domini magnetici e ad aumentare la resistenza del magnete alla successiva smagnetizzazione.
• Cicli termici : i cicli termici comportano il sottoporre il magnete a una serie di cicli di temperatura per stabilizzarne le proprietà magnetiche. Questo processo contribuisce a ridurre la suscettibilità del magnete alla smagnetizzazione irreversibile, favorendo la crescita di strutture di dominio stabili.
• Stabilizzazione meccanica : le tecniche di stabilizzazione meccanica, come il serraggio o l'incapsulamento del magnete, possono aiutare a ridurre lo stress meccanico e le vibrazioni, che possono causare una smagnetizzazione irreversibile.

7. Casi di studio e applicazioni

7.1 Applicazioni aerospaziali

I magneti in Alnico sono ampiamente utilizzati in applicazioni aerospaziali, come giroscopi, accelerometri e sensori magnetici, grazie alla loro eccellente stabilità termica e all'elevata rimanenza. In queste applicazioni, i magneti sono spesso esposti ad alte temperature e campi magnetici inversi, rendendo la resistenza alla smagnetizzazione un requisito fondamentale. Progettando attentamente i circuiti magnetici e integrando tecniche di stabilizzazione, i magneti in Alnico possono essere utilizzati in modo affidabile in ambienti aerospaziali senza subire smagnetizzazioni irreversibili.

7.2 Applicazioni del motore

I magneti in Alnico sono stati utilizzati anche in vari tipi di motori, tra cui motori a corrente continua, motori passo-passo e servomotori. Nelle applicazioni motoristiche, i magneti sono sottoposti a campi magnetici alternati e stress meccanici, che possono causarne la smagnetizzazione nel tempo. Per mitigare questo problema, i progettisti di motori utilizzano spesso magneti in Alnico con elevati valori di coercività e incorporano materiali magnetici dolci nel circuito magnetico per schermare i magneti dai campi inversi. Inoltre, vengono impiegate tecniche di gestione termica per mantenere i magneti entro il loro intervallo di temperatura di esercizio sicuro.

7.3 Applicazioni dei sensori

I magneti in Alnico sono comunemente utilizzati nei sensori magnetici, come i sensori a effetto Hall e i sensori magnetoresistivi, grazie alle loro proprietà magnetiche stabili e all'elevata rimanenza. Nelle applicazioni dei sensori, i magneti devono fornire un campo magnetico costante e affidabile per un lungo periodo di tempo. Per garantire ciò, i progettisti di sensori utilizzano spesso magneti in Alnico pre-magnetizzati e stabilizzati per ridurre al minimo il rischio di smagnetizzazione irreversibile. Inoltre, i sensori sono progettati per funzionare entro un intervallo di temperatura specifico per evitare la smagnetizzazione indotta dalla temperatura.