Реверзибилна и неповратна демагнетизација кај Alnico магнети и критична јачина на демагнетизационото поле

1. Вовед во Alnico магнетите

Алнико магнетите, составени првенствено од алуминиум (Al), никел (Ni), кобалт (Co) и железо (Fe), се вид на перманентни магнети познати по нивната одлична термичка стабилност и висока реманентност. Овие магнети се широко користени во различни апликации, вклучувајќи мотори, сензори, звучници и воздухопловни компоненти, поради нивните уникатни магнетни својства. Сепак, Алнико магнетите покажуваат и одредени карактеристики, како што е ниската коерцитивност, што ги прави подложни на демагнетизација под специфични услови. Разбирањето на концептите на реверзибилна и неповратна демагнетизација, како и критичната јачина на полето на демагнетизација, е клучно за оптимизирање на перформансите и сигурноста на уредите базирани на Алнико.

2. Магнетни својства на Alnico магнетите

2.1 Клучни магнетни параметри

• Заостаната густина на магнетниот флукс (Br) : Густината на преостанатиот магнетен флукс што останува во магнетот по отстранувањето на надворешното магнетизирачко поле. Alnico магнетите обично имаат високи вредности на заостаната густина, кои се движат од 0,53 T до 1,35 T, во зависност од специфичниот состав на легурата и процесот на производство.
• Коерцивност (Hc) : Големината на обратното магнетно поле потребна за да се намали преостанатата вредност на нула. Alnico магнетите имаат релативно ниски вредности на коерцивност, обично помали од 160 kA/m, што ги прави посклони кон демагнетизација во споредба со други материјали со перманентни магнети како NdFeB или ферит.
• Максимален енергетски производ (BH)max : Мерка за капацитетот за складирање на магнетна енергија на магнетот. Alnico магнетите имаат умерени (BH)max вредности, обично во опсег од 5-50 kJ/m³, што ја ограничува нивната употреба во апликации кои бараат висока густина на магнетна енергија.

2.2 Температурна зависност на магнетните својства

Една од најзначајните предности на Alnico магнетите е нивната одлична термичка стабилност. Alnico магнетите покажуваат коефициент на реманентност на ниска температура, обично околу -0,02%/°C, што значи дека нивната реманентност се намалува само малку со зголемување на температурата. Дополнително, Alnico магнетите можат да работат на високи температури, при што некои видови се способни да издржат температури до 550-600°C без значително влошување на магнетните својства. Оваа термичка стабилност ги прави Alnico магнетите погодни за апликации во средини со висока температура каде што другите материјали со перманентни магнети би откажале.

3. Реверзибилна демагнетизација кај Alnico магнети

3.1 Дефиниција и механизам

Реверзибилната демагнетизација се однесува на привремено намалување на густината на магнетниот флукс на магнет кога е подложен на надворешно обратно магнетно поле или термички флуктуации, што може целосно да се обнови по отстранувањето на надворешното влијание. Кај Alnico магнетите, реверзибилната демагнетизација се јавува поради ротацијата на магнетните домени во материјалот како одговор на промените на надворешното поле или температурата. Бидејќи ротацијата на домените е еластична по природа, магнетот се враќа во првобитната состојба откако ќе се отстрани надворешното влијание.

3.2 Фактори што влијаат на реверзибилната демагнетизација

• Надворешно магнетно поле : Примената на обратно магнетно поле предизвикува ротација на магнетните домени, намалувајќи ја вкупната магнетизација на магнетот. Степенот на реверзибилна демагнетизација зависи од големината и времетраењето на обратното поле.
• Температура : Флуктуациите на температурата можат да предизвикаат и реверзибилна демагнетизација со тоа што влијаат на топлинската енергија на магнетните домени. Со зголемувањето на температурата, топлинската енергија ја надминува енергијата на прицврстување на ѕидот на доменот, дозволувајќи им на домените да ротираат послободно и намалувајќи ја магнетизацијата. Сепак, овој ефект е реверзибилен и магнетизацијата се обновува по ладењето.

3.3 Математичко претставување

Реверзибилната демагнетизација може математички да се претстави со следната равенка:

каде:

• B е густината на магнетниот флукс при дадено обратно поле H ,
• Br е остатокот,
• μ0 е пропустливоста на слободниот простор,
• μr е реверзибилна релативна пропустливост на магнетот,
• H е надворешното обратно магнетно поле.

Реверзибилната релативна пропустливост μr е мерка за способноста на магнетот да подлежи на реверзибилна демагнетизација и обично е во опсег од 3-7 за Alnico магнети.

4. Неповратна демагнетизација кај Alnico магнетите

4.1 Дефиниција и механизам

Неповратната демагнетизација се однесува на трајно намалување на густината на магнетниот флукс на магнет кога е подложен на надворешно обратно магнетно поле или термички флуктуации што надминуваат одреден критичен праг. За разлика од реверзибилната демагнетизација, неповратната демагнетизација вклучува неповратно движење или уништување на магнетните домени, што резултира со трајно губење на магнетизацијата. Кај Alnico магнетите, неповратната демагнетизација се јавува кога обратното магнетно поле ја надминува коерцитивноста на магнетот, предизвикувајќи ѕидовите на домените неповратно да се движат и домените да се преориентираат во насока на обратното поле.

4.2 Фактори што влијаат на неповратната демагнетизација

• Надворешно магнетно поле : Примарниот фактор што предизвикува неповратна демагнетизација е примената на обратно магнетно поле кое ја надминува коерцитивноста на магнетот. Големината и времетраењето на обратното поле го одредуваат степенот на неповратна демагнетизација.
• Температура : Високите температури можат да предизвикаат и неповратна демагнетизација со намалување на коерцитивноста на магнетот и олеснување на движењето на ѕидовите на домените. Дополнително, термичкото циклирање може да доведе до раст на границите на зрната и формирање на дефекти, кои можат да дејствуваат како места на нуклеација за неповратно движење на ѕидот на домените.
• Механички стрес : Механичкиот стрес, како што се вибрации или удари, исто така може да предизвика неповратна демагнетизација со тоа што влијае на структурата на доменот на магнетот. Движењето на ѕидот на доменот предизвикано од стрес може да доведе до трајно губење на магнетизацијата.

4.3 Математичко претставување

Неповратната демагнетизација може да се претстави со поместување на кривата на демагнетизација (исто така позната како хистерезис јамка) на магнетот. Откако магнетот ќе претрпи неповратна демагнетизација, неговата крива на демагнетизација се поместува налево, што укажува на трајно намалување на реманенцијата и коерцитивноста. Степенот на поместувањето зависи од големината на обратното поле или термичките флуктуации што ја предизвикале неповратната демагнетизација.

5. Критична јачина на демагнетизациското поле кај Alnico магнетите

5.1 Дефиниција и значење

Критичната јачина на демагнетизациското поле (H_d,crit) е минималната големина на обратното магнетно поле потребна за да се предизвика неповратна демагнетизација кај магнет. Тоа е клучен параметар за оценување на отпорноста на демагнетизација на перманентните магнети и за дизајнирање на магнетни кола што обезбедуваат магнетот да работи во рамките на неговата безбедна работна област (SOA). Кај Alnico магнетите, критичната јачина на демагнетизациското поле е тесно поврзана со коерцитивноста на магнетот, но е под влијание и на други фактори како што се обликот, големината и работната температура на магнетот.

5.2 Одредување на критичната јачина на полето на демагнетизација

Критичната јачина на демагнетизациското поле може да се одреди експериментално со подложување на магнетот на зголемени обратни магнетни полиња и мерење на добиените промени во магнетизацијата. Точката во која магнетизацијата повеќе не се обновува по отстранувањето на обратното поле се смета за критична јачина на демагнетизациското поле. Алтернативно, критичната јачина на демагнетизациското поле може да се процени со користење на теоретски модели кои ги земаат предвид магнетните својства и геометријата на магнетот.

5.3 Фактори што влијаат на критичната јачина на полето за демагнетизација

• Коерцивност : Коерцивноста на магнетот е примарен фактор што ја одредува критичната јачина на демагнетизационото поле. Alnico магнетите со повисоки вредности на коерцивност имаат повисоки критични јачини на демагнетизационото поле и се поотпорни на неповратна демагнетизација.
• Облик и големина на магнет : Обликот и големината на магнетот, исто така, можат да влијаат на критичната јачина на демагнетизационото поле. Долгите, тенки магнети се поподложни на демагнетизација поради високите демагнетизациони полиња на нивните краеви, додека кратките, дебели магнети имаат поголема критична јачина на демагнетизационото поле.
• Работна температура : Работната температура на магнетот влијае на неговата коерцитивност и, следствено, на неговата критична јачина на демагнетизациското поле. Со зголемувањето на температурата, коерцитивноста се намалува, намалувајќи ја критичната јачина на демагнетизациското поле и правејќи го магнетот посклоен кон неповратна демагнетизација.

5.4 Типични вредности за Alnico магнети

Критичната јачина на демагнетизациското поле за Alnico магнетите варира во зависност од специфичниот состав на легурата и процесот на производство. Сепак, како општо упатство, Alnico магнетите обично имаат критични јачини на демагнетизациското поле во опсег од 80-160 kA/m. Ова значи дека обратните магнетни полиња што ги надминуваат овие вредности можат да предизвикаат неповратна демагнетизација кај Alnico магнетите, што доведува до трајно губење на магнетизацијата.

6. Практични импликации и стратегии за ублажување

6.1 Размислувања за дизајнот на магнетните кола

При дизајнирање на магнетни кола со употреба на Alnico магнети, важно е да се осигура дека магнетот работи во рамките на својата безбедна работна област за да се избегне неповратна демагнетизација. Ова вклучува:

• Пресметување на демагнетизичкото поле : Демагнетизичкото поле во магнетното коло треба да се пресмета за да се осигури дека не ја надминува критичната јачина на демагнетизичкото поле на магнетот. Ова може да се направи со помош на анализа на конечни елементи (FEA) или други техники за моделирање на магнетни кола.
• Оптимизирање на геометријата на магнетот : Обликот и големината на магнетот треба да бидат оптимизирани за да се минимизира демагнетизичкото поле и да се максимизира критичната јачина на демагнетизичкото поле. На пример, користењето кратки, дебели магнети или магнети со висок сооднос на ширина и висина може да помогне во намалувањето на демагнетизичкото поле.
• Вклучување на меки магнетни материјали : Меките магнетни материјали, како што се железо или силициумски челик, може да се користат во магнетното коло за да го заштитат Alnico магнетот од надворешни обратни полиња и да го намалат демагнетизирачкото поле во магнетот.

6.2 Управување со работната температура

Бидејќи критичната јачина на демагнетизациското поле на Alnico магнетите се намалува со зголемување на температурата, важно е да се контролира работната температура на магнетот за да се избегне неповратна демагнетизација. Ова може да се постигне со:

• Термички дизајн : Магнетното коло треба да биде дизајнирано така што ефикасно ќе ја распрснува топлината и ќе го одржува магнетот во рамките на неговиот безбеден опсег на работна температура. Ова може да вклучува употреба на ладилници, вентилатори или други механизми за ладење.
• Мониторинг на температурата : Сензорите за температура можат да се вградат во магнетното коло за да ја следат температурата на магнетот и да активираат заштитни мерки, како што се намалување на оптоварувањето или исклучување на уредот, ако температурата надмине одреден праг.

6.3 Техники за стабилизација на магнет

За да се зголеми отпорноста на демагнетизација на Alnico магнетите, може да се користат различни техники за стабилизација, вклучувајќи:

• Претходна магнетизација : Магнетот може да се претходно магнетизира на високо ниво на поле пред да се инсталира во магнетното коло. Ова помага да се усогласат магнетните домени и да се зголеми отпорноста на магнетот на последователна демагнетизација.
• Термичко циклирање : Термичкото циклирање вклучува подложување на магнетот на серија температурни циклуси за да се стабилизираат неговите магнетни својства. Овој процес помага да се намали подложноста на магнетот на неповратна демагнетизација преку поттикнување на растот на стабилни доменски структури.
• Механичка стабилизација : Техниките за механичка стабилизација, како што се стегање или поставување на магнетот во тенџере, можат да помогнат во намалувањето на механичкиот стрес и вибрациите, што може да предизвика неповратна демагнетизација.

7. Студии на случај и апликации

7.1 Аерокосмички апликации

Алнико магнетите се широко користени во воздухопловните апликации, како што се жироскопи, акцелерометри и магнетни сензори, поради нивната одлична термичка стабилност и висока реманентност. Во овие апликации, магнетите често се подложени на високи температури и обратни магнетни полиња, што ја прави отпорноста на демагнетизација критичен услов. Со внимателно дизајнирање на магнетните кола и вклучување техники за стабилизација, Алнико магнетите можат сигурно да се користат во воздухопловните средини без да доживеат неповратна демагнетизација.

7.2 Моторни апликации

Алнико магнетите се користат и во различни видови мотори, вклучувајќи еднонасочни мотори, чекорни мотори и серво мотори. Во моторните апликации, магнетите се подложени на наизменични магнетни полиња и механички стрес, што може да предизвика демагнетизација со текот на времето. За да го ублажат овој проблем, дизајнерите на мотори често користат Алнико магнети со високи вредности на коерцивност и вклучуваат меки магнетни материјали во магнетното коло за да ги заштитат магнетите од обратни полиња. Дополнително, се користат техники за термичко управување за да се одржат магнетите во нивниот безбеден опсег на работна температура.

7.3 Примени на сензори

Алнико магнетите најчесто се користат во магнетни сензори, како што се сензорите со Холов ефект и магнеторезистивните сензори, поради нивните стабилни магнетни својства и висока реманенција. Во апликациите со сензори, од магнетите се бара да обезбедат конзистентно и сигурно магнетно поле во текот на долг временски период. За да се обезбеди ова, дизајнерите на сензори често користат Алнико магнети кои се претходно магнетизирани и стабилизирани за да се минимизира ризикот од неповратна демагнетизација. Дополнително, сензорите се дизајнирани да работат во рамките на одреден температурен опсег за да се избегне демагнетизација предизвикана од температурата.