بالنسبة للمواد المغناطيسية الدائمة، مثل NdFeB، نعتمد بشكل أساسي على قدرتها على توليد المغناطيسية والحفاظ عليها، وهي المتطلب الوظيفي الأساسي للمواد المغناطيسية. فكيف نقيس قدرة المغناطيس على توليد المغناطيسية والحفاظ عليها؟ نستخدم عادةً أربعة مؤشرات: المتبقي Br، والقوة القسرية Hcb، والقوة القسرية الجوهرية Hcj، وأقصى حاصل للطاقة المغناطيسية BH (max).
لفهم المؤشرات المذكورة أعلاه بدقة، يجب أولاً فهم منحنى إزالة المغناطيسية. لأن المواد المغناطيسية الدائمة تحتاج إلى مغنطة أولًا، يجب أن تتحمل المغناطيسات الدائمة الممغنطة عوامل مختلفة تؤثر سلبًا على المغناطيسية أثناء الاستخدام. يعكس منحنى إزالة المغناطيسية الأداء العام للمغناطيس بفعالية.
الصورة أعلاه هي حلقة تباطؤ مغناطيسي دائم نموذجية. الربع الأول هو منحنى المغناطيسية، والربع الثاني هو منحنى إزالة المغناطيسية، والربع الثالث هو منحنى المغناطيسية العكسية، والربع الرابع هو منحنى إزالة المغناطيسية العكسية. يمثل المحور الأفقي شدة المجال المغناطيسي الخارجي H، ويمثل المحور الرأسي شدة الحث المغناطيسي B وشدّة الاستقطاب المغناطيسي J. [ببساطة، شدة الحث المغناطيسي B هي تراكم المجال المغناطيسي الخارجي والمجال المغناطيسي الداخلي للمغناطيس، وشدة الاستقطاب المغناطيسي J هي المجال المغناطيسي الداخلي للمغناطيس].
تُشتق جميع معاملات الأداء المغناطيسي الأربعة، وهي: البقايا، والقوة القسرية، والقوة القسرية الذاتية، وحاصل ضرب الطاقة المغناطيسية القصوى، من منحنى إزالة المغناطيسية. يُسمى الخط الأحمر في الصورة أعلاه منحنى إزالة المغناطيسية JH (منحنى تغير شدة الاستقطاب المغناطيسي J والمجال المغناطيسي الخارجي H)، ويُسمى أيضًا منحنى إزالة المغناطيسية الذاتية، ويُسمى الخط الأزرق منحنى إزالة المغناطيسية BH (منحنى تغير شدة الحث المغناطيسي B والمجال المغناطيسي الخارجي H). نستخدم مربعات صغيرة لتمثيل المجالات المغناطيسية. يمكن فهم المجالات المغناطيسية على أنها مغناطيسات صغيرة. يتكون المغناطيس من العديد من المجالات المغناطيسية. يمثل السهم محور اتجاه المغناطيسية التلقائية C للمجال المغناطيسي. بالنسبة للمغناطيس الدائم في حالة محايدة مغناطيسيًا (ببساطة، مغناطيس غير مشحون)، تكون معظم المجالات المغناطيسية في نفس الإحداثيات، لكن اتجاهاتها تلغي بعضها البعض، بحيث لا تظهر أي مغناطيسية للخارج، كما هو موضح في الشكل 1.
الشكل 1.
عند تطبيق مجال مغناطيسي على طول اتجاه المغناطيسية، تتحرك المجالات المغناطيسية تدريجيًا وتدور عبر جدار المجال لجعل اتجاهات المحور C متسقة، كما هو موضح في الشكل 2. هذا هو منحنى المغناطيسية. تُسمى قيمة شدة الاستقطاب المغناطيسي المقابلة للمغناطيس عند مغناطيسية التشبع شدة الاستقطاب المغناطيسي التشبعي Js.
الشكل 2
عند تشبع المغناطيس وإزالة المجال المغناطيسي الخارجي، يتضح من الشكل أن معظم المجالات المغناطيسية لا تزال تحافظ على نفس الاتجاه، ويدور جزء صغير قليلاً، لكن الاتجاه الرئيسي يبقى دون تغيير، كما هو موضح في الشكل 3. وبهذه الطريقة، تحتفظ كل من شدة الحث المغناطيسي وشدة الاستقطاب المغناطيسي للمغناطيس بقيم عالية. تُسمى هذه القيمة شدة الحث المغناطيسي المتبقية Br أو شدة الاستقطاب المغناطيسي المتبقية Jr. المفهوم البديهي هو أنه عند إزالة المجال المغناطيسي الخارجي من المغناطيس المشبع، فإن شدة الحث المغناطيسي المتبقية B أو شدة الاستقطاب المغناطيسي J للمغناطيس. عندما يكون المجال المغناطيسي الخارجي H مساويًا للصفر، فإن Br = Jr. غالبًا ما نستخدم Br لوصفه، وهو ما نسميه غالبًا بالباقي، بوحدات Gs أو T. كلما زادت قيمة Br، زادت شدة الحث المغناطيسي التي يمكن الاحتفاظ بها، وزادت قدرتها على أن تصبح مادة مغناطيسية قوية.
الشكل 3
عندما يزداد المجال المغناطيسي الخارجي المطبق في الاتجاه المعاكس، تنحرف المجالات المغناطيسية للمغناطيس تدريجيًا وتدور، كما هو موضح في الشكل 4. عندما تصل شدة المجال المغناطيسي إلى قيمة معينة، تنخفض شدة الحث المغناطيسي B للمغناطيس إلى 0. ببساطة، تلغي شدة المجال المغناطيسي المحتجزة داخل المغناطيس شدة المجال المغناطيسي الخارجي العكسي. تُسمى قيمة شدة المجال المغناطيسي المقابلة في هذه اللحظة بالقوة المغناطيسية Hcb (وتُكتب أيضًا bHc)، بوحدات Oe أو kA/m. ترتبط القوة المغناطيسية Hcb ارتباطًا وثيقًا بميل منحنى إزالة المغناطيسية JH. إذا كان من غير المرجح أن تنحرف المجالات المغناطيسية للمغناطيس أو تدور في فترة زمنية قصيرة، فسيكون خط JH مستقيمًا جدًا، بحيث تكون قيمة Hcb قريبة بشكل لا نهائي من Br، ويكون الحد الأعلى لـ Hcb هو Br، Hcb = Br. هذا وضع مثالي، مما يعني أنه لا يوجد ميل للمجالات المغناطيسية للانعكاس قبل أن تصل قيمة القوة المغناطيسية العكسية إلى Br. بهذه الطريقة يكون المغناطيس مستقراً جداً، أي أن المغناطيس لديه قدرة قوية جداً على مقاومة إزالة المغناطيسية في الحالة الأولية لقيمة المجال المغناطيسي العكسي أقل من Br.
الشكل 4
عندما يستمر المجال المغناطيسي العكسي في الزيادة ويصل إلى قيمة حرجة، تظهر المجالات المغناطيسية العكسية بسرعة، مما يتسبب في انخفاض شدة الاستقطاب المغناطيسي للمغناطيس بسرعة إلى 0. وبعبارات بسيطة، تنخفض شدة المجال المغناطيسي المحتفظ بها داخل المغناطيس إلى 0، كما هو موضح في الشكل 5. تسمى قيمة شدة المجال المغناطيسي المقابلة في هذا الوقت بالقوة القسرية الجوهرية Hcj (وتكتب أيضًا باسم jHc)، بوحدات Oe أو kA/m. القوة القسرية الجوهرية هي كمية فيزيائية تعكس مقدار قدرة المغناطيس على مقاومة إزالة المغناطيسية. كلما زادت القوة القسرية الجوهرية، زادت القدرة على مقاومة إزالة المغناطيسية، أو بشكل أدق، زادت القدرة على مقاومة إزالة المغناطيسية بالكامل. يجب إيلاء اهتمام خاص للفرق بين Hcj وHcb. عندما يكون Hcj أكبر من Br، تكون القيمة الحدية لـ Hcb هي Br. عندما يكون Hcj أقل من Br، تكون القيمة الحدية لـ Hcb هي Hcj.
الشكل 5
يُسمى حاصل ضرب B وH المقابل لأي نقطة على منحنى إزالة مغناطيسية BH حاصل الطاقة المغناطيسية. القيمة القصوى هي حاصل ضرب الطاقة المغناطيسية الأقصى (BH)max. نظريًا، حاصل ضرب الطاقة المغناطيسية الأقصى (BH)max = (½ Br)². يأخذ حاصل ضرب الطاقة المغناطيسية الأقصى في الاعتبار كلاً من السكون والقوة المغناطيسية القسرية. تمثل قيمته مقدار الطاقة المغناطيسية الموجودة في المغناطيس، ويمكن أن تعكس أيضًا الميل الابتدائي لخط JH. وحدته هي GOe أو j/m³.
إذا كانت المعلمات الأربعة المذكورة أعلاه لا تزال صعبة الفهم، فيمكنك ببساطة التفكير في أن المغناطيس هو كوب من الماء، والمغناطيسية هي التسخين، والباقي هو حرارة الماء بعد توقف التسخين، وإزالة المغناطيسية مثل تبريد الماء، وHcb هو عندما تصل درجة الحرارة المحيطة المنخفضة إلى قيمة، فإنها تعوض حرارة الماء، ولا تنعكس الحرارة الكلية إلى الخارج، وHcj هي قيمة درجة الحرارة المحيطة المنخفضة المطلوبة لتقليل حرارة الماء تمامًا إلى 0. فيما يلي نسخة مبسطة من الربع الثاني من حلقة الهستيريسيس، والتي يمكن أن تساعدك على تعميق فهمك للمفاهيم ذات الصلة.
بالنسبة للمعلمات المغناطيسية المذكورة أعلاه، يجب علينا الانتباه إلى النقاط التالية في التطبيقات العملية:
١. بالنسبة للمغناطيسات التي تتطلب مجالات مغناطيسية قوية، عادةً ما نحتاج إلى زيادة نسبة المتبقي منها قدر الإمكان لإطلاق المزيد من المغناطيسية، ولكن تجدر الإشارة إلى أن هذا يتم تحت فرضية عدم إزالة المغناطيسية. في حال وجود إزالة مغناطيسية، قد لا تكون مجرد زيادة المتبقي فعالة، ويجب زيادة Hcj لتقليل إزالة المغناطيسية. أبسط مثال على ذلك هو مغناطيس قرصي D10*1. مغناطيسية سطح 54H أعلى من مغناطيسية N54. والسبب هو أن Hcj لـ 54H أعلى، مما يسمح باستغلال البروم فيه بالكامل، بينما Hcj لـ N54 منخفض جدًا ولا يمكنه الحفاظ عليه في حالة غير منزوعة المغناطيسية. مهما كان ارتفاع البروم، لا يمكن استغلال مغناطيسيته بالكامل.
2. بالنسبة للمغناطيسات التي تتطلب قدرة قوية على مقاومة إزالة المغناطيسية والاستقرار، نحتاج عادةً إلى زيادة Hcj، ويجب أن تكون قيمة Hcb قريبة من Br قدر الإمكان.
٣. بالنسبة للمغناطيسات التي تتطلب مقاومة جيدة لدرجة الحرارة، نختار عادةً زيادة قيمة Hcj، لأن معامل درجة الحرارة للقوة القسرية لمغناطيسات NdFeB الدائمة ذات قيمة Hcj نفسها لا يختلف كثيرًا. التأثير المباشر لزيادة قيمة Hcj هو تأخير ظهور نقطة انعطاف خط BH أو عدم ظهورها على الإطلاق. إذا وُضعت متطلبات صارمة لاستقرار درجة الحرارة، فيجب أيضًا مراعاة متطلبات Hcb لتقليل ميل خط BH لتقليل سعة التوهين غير القابلة للعكس للمغناطيس.