هل للمغناطيسات ذات الأداء والحجم المتماثلين القوة المغناطيسية نفسها؟ يُقال على الإنترنت إن القوة المغناطيسية لمغناطيسات NdFeB تساوي 640 ضعف وزنها. هل هذا معقول؟
يمكن توسيع نطاق هذا السؤال، أي معرفة العوامل المرتبطة بقوة شفط المغناطيس. أولًا، يجب توضيح أن قوة شفط المغناطيس تقتصر على المواد المغناطيسية الحديدية. توجد ثلاثة أنواع فقط من المواد المغناطيسية الحديدية في درجة حرارة الغرفة، وهي الحديد والكوبالت والنيكل وسبائكها. أما المواد غير المغناطيسية الحديدية، فلا توجد قوة شفط فيها.
يمكن العثور على بعض الصيغ لحساب قوة الشفط على الإنترنت:
F=k*B²*S/2
F=0.577*S*B²
هل هذه الصيغ دقيقة؟ الإجابة غير دقيقة، لكن الاتجاه صحيح. ترتبط قوة شفط المغناطيس بقوة المجال المغناطيسي ومساحة الامتصاص. كلما زادت قوة المجال المغناطيسي، زادت مساحة الامتصاص، وبالتالي زادت قوة الشفط.
السؤال التالي هو: هل المغناطيسين متساويان في الحجم، مسطحان، أسطوانيان، ونحيفان، وقوة الشفط لهما متساوية؟ إن لم يكن كذلك، فأيهما له قوة الشفط الأكبر؟
أولاً، من المؤكد أن قوة الشفط ليست متساوية. ما هي أكبر قوة شفط؟ يجب ربط ذلك بتعريف حاصل ضرب الطاقة المغناطيسية القصوى. عندما تكون نقطة عمل المغناطيس قريبة من حاصل ضرب الطاقة المغناطيسية القصوى، تكون طاقة الشغل للمغناطيس هي الأكبر. قوة الامتزاز للمغناطيس هي أيضًا مظهر من مظاهر الشغل، لذا تكون قوة الشفط المقابلة هي الأكبر أيضًا. تجدر الإشارة هنا إلى أن الجسم المراد جذبه يجب أن يكون كبيرًا بما يكفي لتغطية حجم القطب المغناطيسي بالكامل، بحيث يمكن تجاهل مادة الجسم المراد جذبه وحجمه وشكله وعوامل أخرى.
كيف يمكن الحكم على ما إذا كانت نقطة عمل المغناطيس عند نقطة حاصل ضرب الطاقة المغناطيسية القصوى؟ عندما يكون المغناطيس في حالة امتزاز مباشر مع المادة المراد جذبها، يتم تحديد قوة الامتزاز الخاصة به من خلال حجم المجال المغناطيسي للفجوة الهوائية ومنطقة الامتزاز. بأخذ مغناطيس أسطواني كمثال، عندما يكون H/D≈0.6، ومركزه Pc≈1، وعندما يكون بالقرب من نقطة عمل حاصل ضرب الطاقة المغناطيسية القصوى، تكون قوة الشفط هي الأكبر. وهذا يتماشى أيضًا مع القاعدة التي تنص على أن المغناطيسات عادةً ما تكون مصممة بأشكال مسطحة نسبيًا كممتزات. بأخذ مغناطيس N35 D10*6 كمثال، يمكن لمحاكاة FEA حساب أن قوة شفط الصفيحة الحديدية الممتصة تبلغ حوالي 27 نيوتن، والتي تكاد تصل إلى القيمة القصوى للمغناطيسات من نفس الحجم، والتي تبلغ 780 ضعف وزنها.
المغناطيسات المربعة تُشبه المغناطيسات الدائرية. عند امتصاصها مباشرةً على المادة المراد امتصاصها، يكون مركزها Pc≈1، أي أنها قريبة من نقطة عمل حاصل ضرب الطاقة المغناطيسية القصوى، وتصل قوة الشفط إلى أقصى قيمة للمغناطيسات من نفس الحجم، مثل 10*10*6.5 أو 15*10*8.
بالطبع، ما سبق هو مجرد حالة امتزاز لقطب واحد من المغناطيس. أما في حالة المغناطيسية متعددة الأقطاب، فستكون قوة الشفط مختلفة تمامًا. ستكون قوة الشفط في المغناطيسية متعددة الأقطاب أكبر بكثير من قوة الشفط في المغناطيسية أحادية القطب (بشرط وجود مسافة صغيرة من الجسم الممتزاز).
لماذا تتغير قوة شفط مغناطيس ذي حجم متساوٍ بشكلٍ كبير بعد مغنطته بأقطاب متعددة؟ السبب هو أن مساحة الامتصاص S تبقى ثابتة، بينما تزداد كثافة التدفق المغناطيسي B عبر الجسم الممتزج بشكلٍ كبير. من مخطط خط القوة المغناطيسية أدناه، يُلاحظ أن كثافة خطوط القوة المغناطيسية المارة عبر الصفيحة الحديدية لمغناطيس ممغنط متعدد الأقطاب تزداد بشكلٍ ملحوظ. بأخذ المغناطيس N35 D10*6 كمثال، يتحول إلى مغنطة ثنائية القطب. تبلغ قوة شفط محاكاة تحليل العناصر المحدودة التي تمتص الصفيحة الحديدية حوالي 1100 ضعف وزنها.
بعد تحويل المغناطيس إلى مغناطيس متعدد الأقطاب، يُعادل كل قطب مغناطيسًا أرق، وتتغير قيمة Pc له. لم يعد من الممكن حسابه بناءً على قيمة Pc للحجم الكلي. لذلك، لم يعد الحجم الأمثل له هو H/D ≈ 0.6، بل مغناطيسًا أكثر تسطحًا. يرتبط الحجم المحدد بطريقة المغنطة متعددة الأقطاب وعدد الأقطاب.