Demagnetizarea reversibilă și ireversibilă în magneți Alnico și intensitatea câmpului critic de demagnetizare

1. Introducere în magneții Alnico

Magneții Alnico, compuși în principal din aluminiu (Al), nichel (Ni), cobalt (Co) și fier (Fe), sunt un tip de magnet permanent cunoscut pentru stabilitatea termică excelentă și remanența ridicată. Acești magneți au fost utilizați pe scară largă în diverse aplicații, inclusiv motoare, senzori, difuzoare și componente aerospațiale, datorită proprietăților lor magnetice unice. Cu toate acestea, magneții Alnico prezintă și anumite caracteristici, cum ar fi coercitivitatea scăzută, care îi fac susceptibili la demagnetizare în anumite condiții. Înțelegerea conceptelor de demagnetizare reversibilă și ireversibilă, precum și a intensității critice a câmpului de demagnetizare, este crucială pentru optimizarea performanței și fiabilității dispozitivelor pe bază de Alnico.

2. Proprietățile magnetice ale magneților Alnico

2.1 Parametri magnetici cheie

• Remanență (Br) : Densitatea fluxului magnetic rezidual care rămâne în magnet după îndepărtarea unui câmp magnetizant extern. Magneții Alnico au de obicei valori ridicate ale remanenței, variind de la 0,53 T la 1,35 T, în funcție de compoziția specifică a aliajului și de procesul de fabricație.
• Coercitivitate (Hc) : Magnitudinea câmpului magnetic invers necesară pentru a reduce remanența la zero. Magneții Alnico au valori de coercitivitate relativ scăzute, de obicei mai mici de 160 kA/m, ceea ce îi face mai predispuși la demagnetizare în comparație cu alte materiale cu magneți permanenți, cum ar fi NdFeB sau ferită.
• Produs energetic maxim (BH)max : O măsură a capacității de stocare a energiei magnetice a magnetului. Magneții Alnico au valori moderate ale (BH)max, de obicei în intervalul 5-50 kJ/m³, ceea ce limitează utilizarea lor în aplicații care necesită o densitate mare de energie magnetică.

2.2 Dependența proprietăților magnetice de temperatură

Unul dintre cele mai semnificative avantaje ale magneților Alnico este stabilitatea lor termică excelentă. Magneții Alnico prezintă un coeficient de remanență la temperatură scăzută, de obicei în jur de -0,02%/°C, ceea ce înseamnă că remanența lor scade doar ușor odată cu creșterea temperaturii. În plus, magneții Alnico pot funcționa la temperaturi ridicate, unele clase fiind capabile să reziste la temperaturi de până la 550-600°C fără o degradare semnificativă a proprietăților magnetice. Această stabilitate termică face ca magneții Alnico să fie potriviți pentru aplicații în medii cu temperaturi ridicate, unde alte materiale cu magneți permanenți s-ar defecta.

3. Demagnetizare reversibilă în magneți Alnico

3.1 Definiție și mecanism

Demagnetizarea reversibilă se referă la reducerea temporară a densității fluxului magnetic al unui magnet atunci când este supus unui câmp magnetic extern invers sau fluctuațiilor termice, care poate fi recuperată complet la îndepărtarea influenței externe. În cazul magneților Alnico, demagnetizarea reversibilă are loc datorită rotației domeniilor magnetice din material ca răspuns la câmpul extern sau la schimbările de temperatură. Deoarece rotația domeniilor este de natură elastică, magnetul revine la starea sa inițială odată ce influența externă este îndepărtată.

3.2 Factori care influențează demagnetizarea reversibilă

• Câmp magnetic extern : Aplicarea unui câmp magnetic invers determină rotirea domeniilor magnetice, reducând magnetizarea generală a magnetului. Gradul de demagnetizare reversabilă depinde de magnitudinea și durata câmpului invers.
• Temperatura : Fluctuațiile de temperatură pot provoca, de asemenea, demagnetizare reversibilă prin afectarea energiei termice a domeniilor magnetice. Pe măsură ce temperatura crește, energia termică depășește energia de fixare a pereților domeniului, permițând domeniilor să se rotească mai liber și reducând magnetizarea. Cu toate acestea, acest efect este reversibil, iar magnetizarea se recuperează la răcire.

3.3 Reprezentare matematică

Demagnetizarea reversibilă poate fi reprezentată matematic prin următoarea ecuație:

unde:

• B este densitatea fluxului magnetic la un câmp invers dat H ,
• Br​ este remanența,
• μ0​ este permeabilitatea spațiului liber,
• μr este permeabilitatea relativă reversibilă a magnetului,
• H este câmpul magnetic extern invers.

Permeabilitatea relativă reversibilă μr este o măsură a capacității magnetului de a suferi o demagnetizare reversibilă și este de obicei cuprinsă între 3 și 7 pentru magneții Alnico.

4. Demagnetizarea ireversibilă în magneții Alnico

4.1 Definiție și mecanism

Demagnetizarea ireversibilă se referă la reducerea permanentă a densității fluxului magnetic al unui magnet atunci când este supus unui câmp magnetic extern invers sau fluctuațiilor termice care depășesc un anumit prag critic. Spre deosebire de demagnetizarea reversibilă, demagnetizarea ireversibilă implică mișcarea sau anihilarea ireversibilă a domeniilor magnetice, rezultând o pierdere permanentă a magnetizării. În cazul magneților Alnico, demagnetizarea ireversibilă are loc atunci când câmpul magnetic invers depășește coercitivitatea magnetului, determinând mișcarea ireversibilă a pereților domeniului și reorientarea domeniilor în direcția câmpului invers.

4.2 Factori care influențează demagnetizarea ireversibilă

• Câmp magnetic extern : Factorul principal care cauzează demagnetizarea ireversibilă este aplicarea unui câmp magnetic invers care depășește coercitivitatea magnetului. Magnitudinea și durata câmpului invers determină gradul de demagnetizare ireversibilă.
• Temperatură : Temperaturile ridicate pot provoca, de asemenea, demagnetizare ireversibilă prin reducerea coercitivității magnetului și facilitarea mișcării pereților domeniilor. În plus, ciclurile termice pot duce la creșterea limitelor granulelor și la formarea de defecte, care pot acționa ca situsuri de nucleație pentru mișcarea ireversibilă a pereților domeniilor.
• Stres mecanic : Stresul mecanic, cum ar fi vibrațiile sau șocurile, poate provoca, de asemenea, o demagnetizare ireversibilă prin afectarea structurii domeniului magnetului. Mișcarea peretelui domeniului indusă de stres poate duce la o pierdere permanentă a magnetizării.

4.3 Reprezentare matematică

Demagnetizarea ireversibilă poate fi reprezentată prin deplasarea curbei de demagnetizare (cunoscută și sub numele de buclă de histerezis) a magnetului. Odată ce magnetul suferă o demagnetizare ireversibilă, curba sa de demagnetizare se deplasează spre stânga, indicând o reducere permanentă a remanenței și coercitivității. Amploarea deplasării depinde de magnitudinea câmpului invers sau de fluctuațiile termice care au cauzat demagnetizarea ireversibilă.

5. Intensitatea câmpului critic de demagnetizare în magneții Alnico

5.1 Definiție și semnificație

Intensitatea câmpului critic de demagnetizare (H_d,crit) este magnitudinea minimă a câmpului magnetic invers necesar pentru a provoca o demagnetizare ireversibilă într-un magnet. Este un parametru crucial pentru evaluarea rezistenței la demagnetizare a magneților permanenți și pentru proiectarea circuitelor magnetice care asigură că magnetul funcționează în zona sa de funcționare sigură (SOA). În cazul magneților Alnico, intensitatea câmpului critic de demagnetizare este strâns legată de coercitivitatea magnetului, dar este influențată și de alți factori, cum ar fi forma, dimensiunea și temperatura de funcționare a magnetului.

5.2 Determinarea intensității câmpului critic de demagnetizare

Intensitatea câmpului critic de demagnetizare poate fi determinată experimental prin supunerea magnetului la câmpuri magnetice inverse crescătoare și măsurarea modificărilor rezultate ale magnetizării. Punctul în care magnetizarea nu se mai recuperează la îndepărtarea câmpului invers este considerat intensitatea câmpului critic de demagnetizare. Alternativ, intensitatea câmpului critic de demagnetizare poate fi estimată folosind modele teoretice care iau în considerare proprietățile magnetice și geometria magnetului.

5.3 Factorii care afectează intensitatea câmpului critic de demagnetizare

• Coercitivitate : Coercititatea magnetului este factorul principal care determină intensitatea câmpului critic de demagnetizare. Magneții Alnico cu valori de coercitivitate mai mari au intensități critice ale câmpului de demagnetizare mai mari și sunt mai rezistenți la demagnetizarea ireversibilă.
• Forma și dimensiunea magnetului : Forma și dimensiunea magnetului pot afecta, de asemenea, intensitatea câmpului critic de demagnetizare. Magneții lungi și subțiri sunt mai susceptibili la demagnetizare din cauza câmpurilor de demagnetizare puternice de la capetele lor, în timp ce magneții scurți și groși au intensități critice ale câmpului de demagnetizare mai mari.
• Temperatura de funcționare : Temperatura de funcționare a magnetului influențează coercivitatea acestuia și, în consecință, intensitatea câmpului său critic de demagnetizare. Pe măsură ce temperatura crește, coercivitatea scade, reducând intensitatea câmpului critic de demagnetizare și făcând magnetul mai predispus la demagnetizare ireversibilă.

5.4 Valori tipice pentru magneții Alnico

Intensitatea câmpului critic de demagnetizare pentru magneții Alnico variază în funcție de compoziția specifică a aliajului și de procesul de fabricație. Cu toate acestea, ca regulă generală, magneții Alnico au de obicei intensități critice ale câmpului de demagnetizare în intervalul 80-160 kA/m. Aceasta înseamnă că câmpurile magnetice inverse care depășesc aceste valori pot provoca o demagnetizare ireversibilă a magneților Alnico, ducând la o pierdere permanentă a magnetizării.

6. Implicații practice și strategii de atenuare

6.1 Considerații de proiectare pentru circuite magnetice

La proiectarea circuitelor magnetice care utilizează magneți Alnico, este esențial să se asigure că magnetul funcționează în zona sa de funcționare sigură pentru a evita demagnetizarea ireversibilă. Aceasta implică:

• Calcularea câmpului de demagnetizare : Câmpul de demagnetizare din circuitul magnetic trebuie calculat pentru a se asigura că nu depășește intensitatea critică a câmpului de demagnetizare al magnetului. Acest lucru se poate face folosind analiza cu elemente finite (FEA) sau alte tehnici de modelare a circuitelor magnetice.
• Optimizarea geometriei magnetului : Forma și dimensiunea magnetului ar trebui optimizate pentru a minimiza câmpul de demagnetizare și a maximiza intensitatea câmpului critic de demagnetizare. De exemplu, utilizarea unor magneți scurți și groși sau a unor magneți cu raporturi de aspect ridicate poate ajuta la reducerea câmpului de demagnetizare.
• Încorporarea materialelor magnetice moi : Materialele magnetice moi, cum ar fi fierul sau oțelul siliconic, pot fi utilizate în circuitul magnetic pentru a proteja magnetul Alnico de câmpurile externe inverse și a reduce câmpul de demagnetizare din interiorul magnetului.

6.2 Gestionarea temperaturii de funcționare

Deoarece intensitatea câmpului critic de demagnetizare a magneților Alnico scade odată cu creșterea temperaturii, este important să se gestioneze temperatura de funcționare a magnetului pentru a evita demagnetizarea ireversibilă. Acest lucru se poate realiza prin:

• Proiectare termică : Circuitul magnetic trebuie proiectat pentru a disipa eficient căldura și a menține magnetul în intervalul său de temperatură de funcționare sigură. Aceasta poate implica utilizarea de radiatoare, ventilatoare sau alte mecanisme de răcire.
• Monitorizarea temperaturii : Senzorii de temperatură pot fi încorporați în circuitul magnetic pentru a monitoriza temperatura magnetului și a declanșa măsuri de protecție, cum ar fi reducerea sarcinii sau oprirea dispozitivului, dacă temperatura depășește un anumit prag.

6.3 Tehnici de stabilizare magnetică

Pentru a spori rezistența la demagnetizare a magneților Alnico, se pot utiliza diverse tehnici de stabilizare, inclusiv:

• Premagnetizare : Magnetul poate fi premagnetizat la un nivel ridicat de câmp magnetic înainte de a fi instalat în circuitul magnetic. Acest lucru ajută la alinierea domeniilor magnetice și la creșterea rezistenței magnetului la demagnetizarea ulterioară.
• Cicluri termice : Ciclurile termice implică supunerea magnetului la o serie de cicluri de temperatură pentru a-i stabiliza proprietățile magnetice. Acest proces ajută la reducerea susceptibilității magnetului la demagnetizare ireversibilă prin promovarea creșterii structurilor de domenii stabile.
• Stabilizare mecanică : Tehnicile de stabilizare mecanică, cum ar fi fixarea sau încapsularea magnetului, pot ajuta la reducerea stresului mecanic și a vibrațiilor, care pot provoca demagnetizare ireversibilă.

7. Studii de caz și aplicații

7.1 Aplicații aerospațiale

Magneții Alnico sunt utilizați pe scară largă în aplicații aerospațiale, cum ar fi giroscoapele, accelerometrele și senzorii magnetici, datorită stabilității lor termice excelente și remanenței ridicate. În aceste aplicații, magneții sunt adesea supuși la temperaturi ridicate și câmpuri magnetice inverse, ceea ce face ca rezistența la demagnetizare să fie o cerință critică. Prin proiectarea atentă a circuitelor magnetice și încorporarea tehnicilor de stabilizare, magneții Alnico pot fi utilizați în mod fiabil în medii aerospațiale fără a experimenta demagnetizări ireversibile.

7.2 Aplicații ale motoarelor

Magneții Alnico au fost utilizați și în diverse tipuri de motoare, inclusiv motoare de curent continuu, motoare pas cu pas și servomotoare. În aplicațiile cu motoare, magneții sunt supuși unor câmpuri magnetice alternative și solicitări mecanice, care pot provoca demagnetizare în timp. Pentru a atenua această problemă, proiectanții de motoare folosesc adesea magneți Alnico cu valori de coercivitate ridicate și încorporează materiale magnetice moi în circuitul magnetic pentru a proteja magneții de câmpurile inverse. În plus, se utilizează tehnici de gestionare termică pentru a menține magneții în intervalul lor de temperatură de funcționare sigură.

7.3 Aplicații ale senzorilor

Magneții Alnico sunt utilizați în mod obișnuit în senzorii magnetici, cum ar fi senzorii cu efect Hall și senzorii magnetorezistivi, datorită proprietăților lor magnetice stabile și remanenței ridicate. În aplicațiile cu senzori, magneții trebuie să ofere un câmp magnetic constant și fiabil pe o perioadă lungă de timp. Pentru a asigura acest lucru, proiectanții de senzori utilizează adesea magneți Alnico care au fost premagnetizați și stabilizați pentru a minimiza riscul de demagnetizare ireversibilă. În plus, senzorii sunt proiectați să funcționeze într-un anumit interval de temperatură pentru a evita demagnetizarea indusă de temperatură.