الانفعال المغناطيسي

📅 آخر تحديث: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 4 صور
الموسوعة الحرة

الانفعال المغناطيسي هو خاصية للمواد المغناطيسية تؤدي إلى تغيير شكلها أو أبعادها أثناء عملية التمغنط . ويؤدي تغير تمغنط المواد نتيجةً للمجال المغناطيسي المطبق إلى تغيير الانفعال المغناطيسي حتى يصل إلى قيمة التشبع، λ. وقد تم تحديد هذه الظاهرة لأول مرة عام 1842 من قبل جيمس جول عند ملاحظة عينة من الحديد . [ 1 ]

ينطبق الانقباض المغناطيسي على المجالات المغناطيسية، بينما ينطبق الانقباض الكهربائي على المجالات الكهربائية.

يتسبب الانفعال المغناطيسي في فقدان الطاقة نتيجة التسخين الاحتكاكي في النوى المغناطيسية الحديدية المعرضة للانفعال، وهو مسؤول أيضًا عن صوت الطنين المنخفض الذي يمكن سماعه قادمًا من المحولات، حيث تنتج التيارات المترددة مجالًا مغناطيسيًا متغيرًا. [ 2 ]

توضيح

تتكون البنية الداخلية للمواد المغناطيسية الحديدية من نطاقات مغناطيسية ، كل منها منطقة ذات مغنطة منتظمة. عند تطبيق مجال مغناطيسي، تتحرك الحدود بين هذه النطاقات وتدور النطاقات نفسها، مما يؤدي إلى تغيير في أبعاد المادة. ويعود سبب هذا التغيير في أبعاد المادة إلى ظاهرة التباين المغناطيسي البلوري ؛ إذ يتطلب مغنطة مادة بلورية في اتجاه معين طاقة أكبر من مغنطتها في اتجاه آخر. عند تطبيق مجال مغناطيسي على المادة بزاوية مع محور المغنطة السهل، تميل المادة إلى إعادة ترتيب بنيتها بحيث يتماشى محور المغنطة السهل مع المجال لتقليل الطاقة الحرة للنظام. ونظرًا لارتباط اتجاهات بلورية مختلفة بأطوال مختلفة، يُحدث هذا التأثير إجهادًا في المادة. [ 3 ]

يُطلق على التأثير المتبادل، أي تغير قابلية التمغنط (استجابة المادة لحقل مغناطيسي خارجي) عند تعرضها لإجهاد ميكانيكي، اسم تأثير فيلاري . وهناك تأثيران آخران مرتبطان بالتمغنط الانفعالي: تأثير ماتيوتشي، وهو نشوء تباين حلزوني في قابلية التمغنط لمادة مغناطيسية انفعالية عند تعرضها لعزم دوران ، وتأثير ويدمان ، وهو التواء هذه المواد عند تطبيق حقل مغناطيسي حلزوني عليها.

إن انعكاس فيلاري هو تغيير في إشارة الانفعال المغناطيسي للحديد من موجب إلى سالب عند تعرضه لمجالات مغناطيسية تبلغ حوالي 40 كيلو أمبير/متر . 

عند التمغنط، تخضع المادة المغناطيسية لتغيرات في الحجم صغيرة: من رتبة 10 −6 .

حلقة التخلف المغناطيسي الانفعالي

تم قياس حلقة التخلف المغناطيسي الانفعالي لفريت المنغنيز والزنك لتطبيقات الطاقة باستخدام مقاييس إجهاد أشباه الموصلات.

كما هو الحال مع كثافة التدفق ، يُظهر الانفعال المغناطيسي أيضًا تخلفًا مغناطيسيًا مقابل شدة المجال المغناطيسي. ويمكن إعادة إنتاج شكل حلقة التخلف المغناطيسي هذه (المسماة "حلقة اليعسوب") باستخدام نموذج جايلز-أثيرتون . [ 4 ]

المواد المغناطيسية الانفعالية

رسم توضيحي لمحول طاقة يتكون من: مادة مغناطيسية انضغاطية (في الداخل)، وملف مغناطيسي، وغلاف مغناطيسي يكمل الدائرة المغناطيسية (في الخارج).

تستطيع المواد المغناطيسية الانفعالية تحويل الطاقة المغناطيسية إلى طاقة حركية ، أو العكس، وتُستخدم في صناعة المحركات والمستشعرات . يمكن قياس هذه الخاصية بمعامل المغناطيسية الانفعالية، λ، الذي قد يكون موجبًا أو سالبًا ، ويُعرَّف بأنه التغير النسبي في الطول مع ازدياد مغنطة المادة من الصفر إلى قيمة التشبع . هذا التأثير هو المسؤول عن " الطنين الكهربائي " المألوف.يستمعⓘ ) والتي يمكن سماعها بالقرب منالمحولاتوالأجهزة الكهربائية عالية الطاقة.

يُظهر الكوبالت أعلى قيمة للانفعال المغناطيسي عند درجة حرارة الغرفة بين العناصر النقية، حيث تبلغ 60 ميكروسترين . ومن بين السبائك، تُعدّ سبيكة تيرفينول-دي (Ter اختصارًا للتيربيوم ، Fe اختصارًا للحديد ، NOL اختصارًا لمختبر الذخائر البحرية ، وD اختصارًا للديسبروسيوم ) الأعلى من حيث الانفعال المغناطيسي المعروف. تُظهر سبيكة تيرفينول-دي، Tb x Dy 1− x Fe 2 ، حوالي 2000 ميكروسترين في مجال مغناطيسي قدره 160 كيلو أمبير/متر (2 كيلو أورستد) عند درجة حرارة الغرفة، وهي أكثر المواد الهندسية المغناطيسية استخدامًا. [ 5 ] أما سبيكة جالفينول ، Fe x Ga 1− x ، وسبيكة ألفير ، Fe x Al 1− x ، فهما سبيكتان أحدث تُظهران انفعالًا مغناطيسيًا يتراوح بين 200 و400 ميكروسترين عند مجالات مغناطيسية أقل (حوالي 200 أورستد)، وتتمتعان بخصائص ميكانيكية محسّنة مقارنةً بسبيكة تيرفينول-دي الهشة. تتمتع كلتا السبيكتين بمحاور سهلة <100> للانفعال المغناطيسي، وتُظهران مرونة كافية لتطبيقات أجهزة الاستشعار والمحركات. [ 6 ]

رسم تخطيطي لمستشعر تدفق الشعيرات الذي تم تطويره باستخدام سبائك مغناطيسية رقيقة.

من المواد المركبة المغناطيسية الانفعالية الشائعة الأخرى سبيكة Fe81Si3.5B13.5C2 غير المتبلورة، والمعروفة تجاريًا باسم Metglas 2605SC . تتميز هذه المادة بخصائصها المميزة، منها ثابت الانفعال المغناطيسي العالي عند التشبع (λ)، الذي يبلغ حوالي 20 ميكروسترين أو أكثر ، بالإضافة إلى شدة مجال التباين المغناطيسي المنخفضة (HA ) ، التي تقل عن 1 كيلو أمبير/متر (للوصول إلى التشبع المغناطيسي ). كما تُظهر Metglas 2605SC تأثير ΔE قويًا جدًا، مع انخفاض في معامل يونغ الفعال يصل إلى حوالي 80% في حالتها الصلبة. وهذا يُسهم في بناء أنظمة MEMS مغناطيسية موفرة للطاقة .

يُستخدم فيريت الكوبالت ، CoFe₂O₄ (CoO·Fe₂O₃ ) ، بشكل أساسي في تطبيقاته المغناطيسية الانفعالية ، مثل أجهزة الاستشعار والمحركات، وذلك بفضل خاصية الانفعال المغناطيسي التشبعي العالية (حوالي 200 جزء في المليون). [ 7 ] في غياب العناصر الأرضية النادرة ، يُعد بديلاً جيداً لـ Terfenol-D . [ 8 ] علاوة على ذلك، يمكن ضبط خصائصه المغناطيسية الانفعالية عن طريق إحداث تباين مغناطيسي أحادي المحور. [ 9 ] يمكن تحقيق ذلك من خلال التلدين المغناطيسي، [ 10 ] أو الضغط بمساعدة المجال المغناطيسي، [ 11 ] أو التفاعل تحت ضغط أحادي المحور. [ 12 ] يتميز الحل الأخير بسرعة فائقة (20 دقيقة)، بفضل استخدام تلبيد البلازما الشرارية .

في محولات الطاقة الصوتية المبكرة خلال الحرب العالمية الثانية، استُخدم النيكل كمادة مغناطيسية انفعالية. وللتخفيف من نقص النيكل، استخدمت البحرية اليابانية سبيكة من الحديد والألومنيوم من عائلة سبائك ألبرم .

السلوك الميكانيكي للسبائك المغناطيسية الانفعالية

تأثير البنية المجهرية على سبائك الإجهاد المرن

تُظهر السبائك أحادية البلورة إجهادًا دقيقًا فائقًا، لكنها عُرضة للتشوه بسبب الخواص الميكانيكية المتباينة لمعظم المعادن. وقد لوحظ أنه بالنسبة للسبائك متعددة البلورات ذات التغطية السطحية العالية للحبوب المُفضلة للإجهاد الدقيق، يُمكن تحسين الخواص الميكانيكية ( المطيلية ) للسبائك المغناطيسية الانفعالية بشكل ملحوظ. تُعزز خطوات المعالجة المعدنية المُستهدفة النمو غير الطبيعي لحبوب {011} في صفائح الغالفينول والألفينول الرقيقة ، والتي تحتوي على محورين سهلين لمحاذاة المجال المغناطيسي أثناء الانفعال المغناطيسي. يُمكن تحقيق ذلك بإضافة جسيمات مثل أنواع البوريد [ 13 ] وكربيد النيوبيوم ( NbC ) [ 14 ] أثناء عملية الصب البارد الأولية للسبائك .

بالنسبة لسبائك متعددة البلورات، فإن الصيغة الراسخة للمغناطيسية الانفعالية، λ، من قياسات الإجهاد الميكروي الاتجاهي المعروفة هي: [ 15 ]

λ s = 1/5(2λ 100 +3λ 111 )

سبيكة مغناطيسية انفعالية مشوهة حتى الكسر

خلال مراحل الدرفلة الساخنة وإعادة التبلور اللاحقة ، يحدث تقوية للجسيمات، حيث تُحدث الجسيمات قوة تثبيت عند حدود الحبيبات ، مما يعيق نمو الحبيبات الطبيعي ( العشوائي ) في مرحلة التلدين بمساعدة جو من كبريتيد الهيدروجين . وبالتالي، يُمكن الحصول على نسيج شبيه بالبلورة الأحادية (تغطية حبيبية بنسبة 90% تقريبًا {011})، مما يقلل من التداخل مع محاذاة المجال المغناطيسي ويزيد من الإجهاد الميكروي الذي يُمكن تحقيقه في السبائك متعددة البلورات، كما تم قياسه بواسطة مقاييس الإجهاد شبه الموصلة . [ 16 ] يُمكن تصوير هذه الأنسجة السطحية باستخدام حيود الإلكترون المرتد (EBSD) أو تقنيات حيود مماثلة.

الإجهاد الانضغاطي لتحفيز محاذاة النطاقات

في تطبيقات المحركات، يؤدي أقصى دوران للعزوم المغناطيسية إلى أعلى ناتج ممكن من الانفعال المغناطيسي. ويمكن تحقيق ذلك بتقنيات معالجة مثل التلدين بالإجهاد والتلدين بالمجال. مع ذلك، يمكن أيضًا تطبيق إجهادات ميكانيكية مسبقة على الصفائح الرقيقة لحثّها على المحاذاة عموديًا على اتجاه التشغيل، طالما أن الإجهاد أقل من حد الانبعاج. على سبيل المثال، ثبت أن تطبيق إجهاد ضغط مسبق يصل إلى 50 ميجا باسكال تقريبًا يمكن أن يؤدي إلى زيادة الانفعال المغناطيسي بنسبة 90% تقريبًا. يُفترض أن هذا يعود إلى "قفزة" في المحاذاة الأولية للمجالات المغناطيسية عموديًا على الإجهاد المطبق، وتحسين المحاذاة النهائية موازيةً له. [ 17 ]

السلوك البنيوي للمواد المغناطيسية الانفعالية

تُظهر هذه المواد عمومًا سلوكًا غير خطي مع تغير المجال المغناطيسي أو الإجهاد المُطبق. في حالة المجالات المغناطيسية الصغيرة، يكفي السلوك الكهرومغناطيسي الخطي [ 18 ] . يُجسد السلوك المغناطيسي غير الخطي باستخدام نموذج ماكروسكوبي كلاسيكي مثل نموذج بريساش [ 19 ] ونموذج جايلز-أثيرتون [ 20 ] . ولتجسيد السلوك المغناطيسي الميكانيكي، اقترح أرمسترونغ [ 21 ] نهج "متوسط ​​الطاقة". ومؤخرًا، اقترح واهي وآخرون [ 22 ] نموذجًا تكوينيًا فعالًا حسابيًا ، حيث يُجسد السلوك التكويني باستخدام مخطط "التخطيط الخطي الموضعي".

التطبيقات

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ جول، جيه بي (1847). "حول تأثير المغناطيسية على أبعاد قضبان الحديد والصلب" . مجلة لندن وإدنبرة ودبلن الفلسفية ومجلة العلوم . 30، السلسلة الثالثة: 76-87 ، 225-241 . تاريخ الاسترجاع: 19 يوليو 2009 .لاحظ جول في هذه الورقة أنه أبلغ لأول مرة عن القياسات في "محادثة" في مانشستر، إنجلترا، في جول، جيمس (1842). "حول فئة جديدة من القوى المغناطيسية". حوليات الكهرباء والمغناطيسية والكيمياء . 8 : 219-224 .
  2. ↑ أسئلة وأجوبة حول الظواهر العلمية اليومية . Sctritonscience.com. تاريخ الاطلاع: 11 أغسطس 2012.
  3. ↑ جيمس، آر دي؛ ووتيغ، مانفريد (12 أغسطس 2009). "الانقباض المغناطيسي للمارتنسيت". المجلة الفلسفية أ . 77 (5): 1273-1299 . doi : 10.1080/01418619808214252 .
  4. ↑ شيفشيك، ر. (2006). "نمذجة الخصائص المغناطيسية والمغناطيسية الانفعالية لفريتات المنغنيز والزنك ذات النفاذية العالية". مجلة برامانا للفيزياء . 67 (6): 1165-1171 . Bibcode : 2006Prama..67.1165S . doi : 10.1007/s12043-006-0031-z . S2CID 59468247 . 
  5. ↑ "الانفعال المغناطيسي والمواد المغناطيسية الانفعالية" . مختبر المواد الفعالة . جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس . مؤرشف من الأصل في 2006-02-02.
  6. ↑ بارك، جونغ جين؛ نا، سوك مين؛ راغوناث، غانيش؛ فلاتاو، أليسون ب. (مارس 2016). "التباين المغناطيسي الناتج عن التلدين بالإجهاد في شرائح Fe-Ga وFe-Al المغناطيسية الانفعالية ذات النسيج العالي لحاصدات طاقة الاهتزاز في نمط الانحناء" . AIP Advances . 6 (5): 056221. Bibcode : 2016AIPA....6e6221P . doi : 10.1063/1.4944772 .
  7. ↑ أولابي، أ.ج.؛ غرونوالد، أ. (يناير 2008). "تصميم وتطبيق المواد المغناطيسية الانفعالية" (ملف PDF) . المواد والتصميم . 29 (2): 469-483 . doi : 10.1016/j.matdes.2006.12.016 .
  8. ↑ تورتيلي، ر. ساتو؛ كريغيش، م.؛ عاطف، م.؛ غروسينغر، ر. (17 يونيو 2014). "الفريت المشترك - مادة ذات خصائص مغناطيسية مثيرة للاهتمام" . سلسلة مؤتمرات IOP: علوم وهندسة المواد . 60 (1) 012020. Bibcode : 2014MS & E...60a2020T . doi : 10.1088/1757-899X/60/1/012020 .
  9. ↑ سلونكزوسكي، جيه سي (15 يونيو 1958). "أصل التباين المغناطيسي في الماغنيتيت المُستبدل بالكوبالت". مجلة Physical Review . 110 (6): 1341-1348 . Bibcode : 1958PhRv..110.1341S . doi : 10.1103/PhysRev.110.1341 .
  10. ↑ لو، سي سي إتش؛ رينغ، إيه بي؛ سنايدر، جيه إي؛ جايلز، دي سي (أكتوبر 2005). "تحسين الخصائص المغناطيسية الميكانيكية لفريت الكوبالت عن طريق التلدين المغناطيسي". معاملات IEEE في المغناطيسية . 41 (10): 3676-3678 . Bibcode : 2005ITM....41.3676L . doi : 10.1109/TMAG.2005.854790 . S2CID 45873667 . 
  11. ↑ وانغ، جيكوان؛ غاو، شيويه شو؛ يوان، تشاو؛ لي، جيهينغ؛ باو، شياو تشيان (مارس 2016). "خصائص الانفعال المغناطيسي لمتعدد البلورات الموجه CoFe₂O₄". مجلة المغناطيسية والمواد المغناطيسية . 401 : 662-666 . Bibcode : 2016JMMM..401..662W . doi : 10.1016/j.jmmm.2015.10.073 .
  12. ↑ أوبير، أ.؛ لويو، ف.؛ مازاليرات، ف.؛ لوبو، م. (أغسطس 2017). "التباين أحادي المحور وزيادة الانفعال المغناطيسي لمركب CoFe₂O₄ الناتج عن التفاعل تحت ضغط أحادي المحور مع SPS" . مجلة الجمعية الأوروبية للخزف . 37 (9): 3101-3105 . arXiv : 1803.09656 . doi : 10.1016/j.jeurceramsoc.2017.03.036 . S2CID 118914808 . 
  13. ↑ لي، جيه إتش؛ غاو، إكس إكس؛ شي، جيه إكس؛ يوان، سي؛ تشو، جيه؛ يو، آر بي (يوليو 2012). "سلوك إعادة التبلور والانفعال المغناطيسي تحت إجهاد الضغط المسبق لألواح Fe–Ga–B". المعادن البينية . 26 : 66-71 . doi : 10.1016/j.intermet.2012.02.019 .
  14. ↑ نا، إس إم؛ فلاتاو، إيه بي (مايو 2014). "تطور النسيج وتوزيع احتمالية اتجاه غوس في صفائح سبائك الحديد-الغاليوم المغناطيسية الانفعالية". مجلة علوم المواد . 49 (22): 7697-7706 . Bibcode : 2014JMatS..49.7697N . doi : 10.1007/s10853-014-8478-7 . S2CID 136709323 . 
  15. ↑ غروسينغر، ر.؛ تورتيلي، ر. ساتو؛ محمود، ن. (2014). "مواد ذات مغناطيسية عالية" . سلسلة مؤتمرات IOP: علوم وهندسة المواد . 60 (1) 012002. Bibcode : 2014MS & E...60a2002G . doi : 10.1088/1757-899X/60/1/012002 .
  16. ↑ نا، إس إم؛ فلاتاو، إيه بي (مايو 2014). "تطور النسيج وتوزيع احتمالية اتجاه غوس في صفائح سبائك الحديد-الغاليوم المغناطيسية الانفعالية". مجلة علوم المواد . 49 (22): 7697-7706 . Bibcode : 2014JMatS..49.7697N . doi : 10.1007/s10853-014-8478-7 . S2CID 136709323 . 
  17. ↑ داونينج، ج؛ نا، إس إم؛ فلاتاو، أ (يناير 2017). "تأثيرات الإجهاد المسبق الانضغاطي على السلوك المغناطيسي الانفعالي لألواح رقيقة من الجالفينول والألفينول ذات بنية عالية" . مجلة AIP Advances . 7 (5): 056420. Bibcode : 2017AIPA....7e6420D . doi : 10.1063/1.4974064.056420 .
  18. ↑ إسحاق د، مايرغويز (1999). دليل المواد المغناطيسية الانفعالية العملاقة . إلسيفير.
  19. ^ بريساش، ف. (مايو 1935). "Über die magnetische Nachwirkung" . Zeitschrift für Physik (باللغة الألمانية). 94 ( 5– 6): 277– 302. بيب كود : 1935ZPhy...94..277P . دوى : 10.1007/BF01349418 . ردمك 1434-6001 . S2CID 122409841 .  
  20. ↑ جايلز، دي سي؛ أثيرتون، دي إل (15 مارس 1984). "نظرية التخلف المغناطيسي الحديدي (مقال مدعو)" . مجلة الفيزياء التطبيقية . 55 (6): 2115-2120 . رمز Bibcode : 1984JAP....55.2115J . doi : 10.1063/1.333582 . ISSN 0021-8979 . 
  21. ↑ أرمسترونغ، ويليام د. (15 أبريل 1997). "الانفعال المغناطيسي الانفجاري في Tb0.3Dy0.7Fe1.9" . مجلة الفيزياء التطبيقية . 81 (8): 3548-3554 . رمز Bibcode : 1997JAP....81.3548A . doi : 10.1063/1.364992 . ISSN 0021-8979 . 
  22. ↑ واهي، ساجان ك.؛ كومار، مانيك؛ سانتابوري، سوشما؛ دابينو، مارسيلو ج. (2019-06-07). "نموذج تكويني خطي محلي فعال حسابيًا للمواد المغناطيسية الانفعالية" . مجلة الفيزياء التطبيقية . 125 (21): 215108. Bibcode : 2019JAP...125u5108W . doi : 10.1063/1.5086953 . ISSN 0021-8979 . S2CID 189954942 .