Реверзибилна и иреверзибилна демагнетизација у алнико магнетима и критична јачина поља демагнетизације

1. Увод у алнико магнете

Алнико магнети, састављени првенствено од алуминијума (Al), никла (Ni), кобалта (Co) и гвожђа (Fe), су врста перманентног магнета познатог по својој одличној термичкој стабилности и високој реманентности. Ови магнети се широко користе у разним применама, укључујући моторе, сензоре, звучнике и ваздухопловне компоненте, због својих јединствених магнетних својстава. Међутим, Алнико магнети такође показују одређене карактеристике, као што је ниска коерцитивност, што их чини подложним демагнетизацији под одређеним условима. Разумевање концепата реверзибилне и иреверзибилне демагнетизације, као и критичне јачине поља демагнетизације, кључно је за оптимизацију перформанси и поузданости уређаја заснованих на Алнико магнетима.

2. Магнетна својства алнико магнета

2.1 Кључни магнетни параметри

• Реманенција (Br) : Преостала густина магнетног флукса која остаје у магнету након уклањања спољашњег магнетизирајућег поља. Алнико магнети обично имају високе вредности реманенције, у распону од 0,53 Т до 1,35 Т, у зависности од специфичног састава легуре и процеса производње.
• Коерцитивност (Hc) : Величина обрнутог магнетног поља потребна да се реманенција смањи на нулу. Алнико магнети имају релативно ниске вредности коерцитивности, обично мање од 160 kA/m, што их чини склонијим демагнетизацији у поређењу са другим материјалима за сталне магнете попут NdFeB или ферита.
• Максимални енергетски производ (BH)max : Мера капацитета складиштења магнетне енергије магнета. Алнико магнети имају умерене (BH)max вредности, обично у опсегу од 5-50 kJ/m³, што ограничава њихову употребу у применама које захтевају високу густину магнетне енергије.

2.2 Зависност магнетних својстава од температуре

Једна од најзначајнијих предности Алнико магнета је њихова одлична термичка стабилност. Алнико магнети показују коефицијент реманенције на ниској температури, обично око -0,02%/°C, што значи да се њихова реманенција смањује само незнатно са повећањем температуре. Поред тога, Алнико магнети могу да раде на високим температурама, при чему неке врсте могу да издрже температуре до 550-600°C без значајног погоршања магнетних својстава. Ова термичка стабилност чини Алнико магнете погодним за примену у окружењима са високим температурама где би други материјали за перманентне магнете отказали.

3. Реверзибилна демагнетизација код алнико магнета

3.1 Дефиниција и механизам

Реверзибилна демагнетизација се односи на привремено смањење густине магнетног флукса магнета када је изложен спољашњем реверзном магнетном пољу или термичким флуктуацијама, што се може у потпуности обновити након уклањања спољашњег утицаја. Код Алнико магнета, реверзибилна демагнетизација се јавља због ротације магнетних домена унутар материјала као одговор на промене спољашњег поља или температуре. Пошто је ротација домена еластичне природе, магнет се враћа у првобитно стање када се спољни утицај уклони.

3.2 Фактори који утичу на реверзибилну демагнетизацију

• Спољашње магнетно поље : Примена обрнутог магнетног поља узрокује ротацију магнетних домена, смањујући укупну магнетизацију магнета. Степен реверзибилне демагнетизације зависи од величине и трајања обрнутог поља.
• Температура : Флуктуације температуре такође могу изазвати реверзибилну демагнетизацију утичући на топлотну енергију магнетних домена. Како температура расте, топлотна енергија превазилази енергију закачињавања зидова домена, омогућавајући доменима да се слободније ротирају и смањујући магнетизацију. Међутим, овај ефекат је реверзибилан и магнетизација се обнавља након хлађења.

3.3 Математичка репрезентација

Реверзибилна демагнетизација може се математички представити следећом једначином:

где:

• B је густина магнетног флукса на датом обрнутом пољу H ,
• Br је реманенција,
• μ0​ је пропустљивост слободног простора,
• μr је реверзибилна релативна пермеабилност магнета,
• H је спољашње обрнуто магнетно поље.

Реверзибилна релативна пермеабилност μr је мера способности магнета да се подвргне реверзибилној демагнетизацији и обично је у опсегу од 3-7 за Alnico магнете.

4. Неповратна демагнетизација код алнико магнета

4.1 Дефиниција и механизам

Иреверзибилна демагнетизација се односи на трајно смањење густине магнетног флукса магнета када је изложен спољашњем обрнутом магнетном пољу или термичким флуктуацијама које прелазе одређени критични праг. За разлику од реверзибилне демагнетизације, иреверзибилна демагнетизација подразумева иреверзибилно кретање или уништавање магнетних домена, што резултира трајним губитком магнетизације. Код Алнико магнета, иреверзибилна демагнетизација се јавља када обрнуто магнетно поље пређе коерцитивност магнета, узрокујући иреверзибилно кретање зидова домена и преоријентацију домена у правцу обрнутог поља.

4.2 Фактори који утичу на неповратну демагнетизацију

• Спољашње магнетно поље : Примарни фактор који узрокује неповратну демагнетизацију је примена обрнутог магнетног поља које превазилази коерцитивност магнета. Величина и трајање обрнутог поља одређују степен неповратне демагнетизације.
• Температура : Високе температуре такође могу изазвати неповратну демагнетизацију смањењем коерцитивности магнета и олакшавањем кретања доменских зидова. Поред тога, термичко циклирање може довести до раста граница зрна и формирања дефеката, који могу деловати као места нуклеације за неповратно кретање доменских зидова.
• Механичко напрезање : Механичко напрезање, као што су вибрације или ударци, такође може изазвати неповратну демагнетизацију утичући на структуру домена магнета. Померање зидова домена изазвано напрезањем може довести до трајног губитка магнетизације.

4.3 Математичка репрезентација

Неповратна демагнетизација може се представити померањем криве демагнетизације (познате и као хистерезисна петља) магнета. Када магнет прође кроз неповратну демагнетизацију, његова крива демагнетизације се помера улево, што указује на трајно смањење реманенције и коерцитивности. Обим померања зависи од величине обрнутог поља или термичких флуктуација које су изазвале неповратну демагнетизацију.

5. Критична јачина поља демагнетизације у алнико магнетима

5.1 Дефиниција и значај

Критична јачина поља демагнетизације (H_d,crit) је минимална величина обрнутог магнетног поља потребна да изазове неповратну демагнетизацију у магнету. То је кључни параметар за процену отпора демагнетизацији сталних магнета и за пројектовање магнетних кола која осигуравају да магнет ради унутар свог безбедног радног подручја (SOA). Код Alnico магнета, критична јачина поља демагнетизације је уско повезана са коерцитивношћу магнета, али на њу утичу и други фактори као што су облик, величина и радна температура магнета.

5.2 Одређивање критичне јачине поља демагнетизације

Критична јачина поља демагнетизације може се експериментално одредити излагањем магнета растућим обрнутим магнетним пољима и мерењем резултујућих промена у магнетизацији. Тачка у којој се магнетизација више не опоравља након уклањања обрнутог поља сматра се критичном јачином поља демагнетизације. Алтернативно, критична јачина поља демагнетизације може се проценити коришћењем теоријских модела који узимају у обзир магнетна својства и геометрију магнета.

5.3 Фактори који утичу на јачину критичног поља демагнетизације

• Коерцитивност : Коерцитивност магнета је примарни фактор који одређује критичну јачину поља демагнетизације. Алнико магнети са вишим вредностима коерцитивности имају веће критичне јачине поља демагнетизације и отпорнији су на неповратну демагнетизацију.
• Облик и величина магнета : Облик и величина магнета такође могу утицати на јачину критичног поља демагнетизације. Дуги, танки магнети су подложнији демагнетизацији због високих демагнетизујућих поља на њиховим крајевима, док кратки, дебели магнети имају веће критичне јачине поља демагнетизације.
• Радна температура : Радна температура магнета утиче на његову коерцитивност и, последично, на јачину критичног поља демагнетизације. Како температура расте, коерцитивност се смањује, смањујући критичну јачину поља демагнетизације и чинећи магнет склонијим неповратној демагнетизацији.

5.4 Типичне вредности за алнико магнете

Критична јачина поља демагнетизације за Alnico магнете варира у зависности од специфичног састава легуре и процеса производње. Међутим, као општа смерница, Alnico магнети обично имају критичне јачине поља демагнетизације у опсегу од 80-160 kA/m. То значи да обрнута магнетна поља која прелазе ове вредности могу изазвати неповратну демагнетизацију у Alnico магнетима, што доводи до трајног губитка магнетизације.

6. Практичне импликације и стратегије ублажавања

6.1 Разматрања дизајна за магнетна кола

Приликом пројектовања магнетних кола користећи Alnico магнете, неопходно је осигурати да магнет ради унутар свог безбедног радног подручја како би се избегла неповратна демагнетизација. То укључује:

• Израчунавање поља демагнетизације : Поље демагнетизације унутар магнетног кола треба израчунати тако да не прелази критичну јачину поља демагнетизације магнета. То се може урадити коришћењем анализе коначних елемената (FEA) или других техника моделирања магнетних кола.
• Оптимизација геометрије магнета : Облик и величина магнета треба да буду оптимизовани како би се минимизирало поље демагнетизације и максимизирала јачина критичног поља демагнетизације. На пример, коришћење кратких, дебелих магнета или магнета са високим односом ширине и висине може помоћи у смањењу поља демагнетизације.
• Укључивање меких магнетних материјала : Меки магнетни материјали, као што су гвожђе или силицијумски челик, могу се користити у магнетном колу за заштиту Alnico магнета од спољашњих обрнутих поља и смањење поља демагнетизације унутар магнета.

6.2 Управљање радном температуром

Пошто се критична јачина поља за демагнетизацију Alnico магнета смањује са повећањем температуре, важно је управљати радном температуром магнета како би се избегла неповратна демагнетизација. То се може постићи:

• Термички дизајн : Магнетно коло треба да буде пројектовано тако да ефикасно расипа топлоту и одржава магнет у опсегу безбедне радне температуре. Ово може укључивати употребу хладњака, вентилатора или других механизама за хлађење.
• Праћење температуре : Сензори температуре могу бити уграђени у магнетно коло како би пратили температуру магнета и покренули заштитне мере, као што је смањење оптерећења или искључивање уређаја, ако температура пређе одређени праг.

6.3 Технике стабилизације магнета

Да би се побољшала отпорност на демагнетизацију Алнико магнета, могу се користити различите технике стабилизације, укључујући:

• Претходна магнетизација : Магнет се може претходно магнетизовати на висок ниво поља пре него што се инсталира у магнетно коло. Ово помаже у поравнавању магнетних домена и повећању отпорности магнета на накнадну демагнетизацију.
• Термичко циклирање : Термичко циклирање подразумева излагање магнета низу температурних циклуса како би се стабилизовала његова магнетна својства. Овај процес помаже у смањењу подложности магнета неповратној демагнетизацији промовишући раст стабилних доменских структура.
• Механичка стабилизација : Технике механичке стабилизације, као што су стезање или заливање магнета, могу помоћи у смањењу механичког напрезања и вибрација, што може изазвати неповратну демагнетизацију.

7. Студије случаја и примене

7.1 Примене у ваздухопловству

Алнико магнети се широко користе у ваздухопловним применама, као што су жироскопи, акцелерометри и магнетни сензори, због своје одличне термичке стабилности и високе реманентности. У овим применама, магнети су често изложени високим температурама и обрнутим магнетним пољима, што отпорност на демагнетизацију чини критичним захтевом. Пажљивим пројектовањем магнетних кола и укључивањем техника стабилизације, Алнико магнети се могу поуздано користити у ваздухопловним окружењима без иреверзибилне демагнетизације.

7.2 Примене мотора

Алнико магнети су такође коришћени у разним типовима мотора, укључујући једносмерне моторе, степер моторе и серво моторе. У применама мотора, магнети су изложени наизменичним магнетним пољима и механичком напрезању, што временом може изазвати демагнетизацију. Да би ублажили овај проблем, дизајнери мотора често користе Алнико магнете са високим вредностима коерцитивности и уграђују меке магнетне материјале у магнетно коло како би заштитили магнете од обрнутих поља. Поред тога, користе се технике термичког управљања како би се магнети одржали унутар њиховог безбедног радног температурног опсега.

7.3 Примене сензора

Алнико магнети се често користе у магнетним сензорима, као што су сензори са Холовим ефектом и магнеторезистивни сензори, због својих стабилних магнетних својстава и високе реманентности. У сензорским применама, од магнета се захтева да обезбеде конзистентно и поуздано магнетно поље током дужег временског периода. Да би се то осигурало, дизајнери сензора често користе Алнико магнете који су претходно намагнетизовани и стабилизовани како би се смањио ризик од неповратне демагнетизације. Поред тога, сензори су дизајнирани да раде у одређеном температурном опсегу како би се избегла демагнетизација изазвана температуром.