المواد الإلكترونية الأساسية: الجزء 7 - المواد المغناطيسية
1 مقدمة في المواد المغناطيسية
المواد المغناطيسية هي مواد تُظهِر خواص مغناطيسية بسبب تركيبها الداخلي، وهو ما يسمح لها بتوليد مجال مغناطيسي أو التأثر بمجال مغناطيسي خارجي. يمكن لهذه المواد إما أن تجذب أو تطرد مواد أخرى، وسلوكها المغناطيسي أساسي للعديد من الأجهزة الإلكترونية الحديثة.
لا غنى عن المواد المغناطيسية في صناعة الإلكترونيات نظرًا لقدرتها على تخزين الطاقة ونقلها وتحويلها. وهي تُستخدم في تطبيقات مختلفة، بدءًا من الأجهزة الموفرة للطاقة إلى تقنيات الاتصالات المتقدمة. تعد هذه المواد ضرورية لمكونات مثل المحركات والمحولات وأجهزة الاستشعار وأجهزة التخزين المغناطيسية والهوائيات، مما يجعلها ضرورية لصناعات مثل الإلكترونيات والاتصالات والطاقة والسيارات والرعاية الصحية.
2 أنواع المواد المغناطيسية المستخدمة في الإلكترونيات
2.1 المواد المغناطيسية الصلبة (المغناطيس الدائم)
المواد المغناطيسية الصلبة، والمعروفة أيضًا باسم المواد المغناطيسية الدائمة، هي مواد يمكنها الحفاظ على خصائصها المغناطيسية لفترة طويلة بعد المغنطة ولا تفقد خصائصها المغناطيسية بسهولة. تتمثل الخصائص الرئيسية للمواد المغناطيسية الصلبة في أنها يمكن أن تحافظ على مغناطيسيتها الأصلية لفترة طويلة بعد المغنطة، ولها إكراه كبير (Hc = 10^4 ~ 10^6 A/m)، وخطوط تباطؤ أكثر سمكًا، ومنتج طاقة مغناطيسية قصوى عالية (BH) ومغناطيسية متبقية.
2.1.1 سبائك النيكو
سبائك ألنيكو هي مواد مغناطيسية دائمة شائعة الاستخدام ذات إكراه عالٍ ومغناطيسية متبقية. تشمل المزايا الرئيسية لسبائك ألنيكو كمغناطيس دائم القسرية العالية ودرجة حرارة كوري العالية والاستقرار الجيد في درجة الحرارة. تتمتع سبائك ألنيكو بقابلية إكراه عالية ويمكنها الحفاظ على خواصها المغناطيسية تحت تأثير مجال مغناطيسي خارجي قوي ولا يمكن إزالة مغناطيسيتها بسهولة. بالإضافة إلى ذلك، تصل درجة حرارة كوري إلى 860 درجة مئوية، وتبلغ درجة حرارة التشغيل القصوى 525-550 درجة مئوية، ما يمكّنها من الحفاظ على خصائص مغناطيسية جيدة في البيئات ذات درجات الحرارة العالية. ويتمتع النيكو بمغناطيسية عالية متبقية ويمكنه الحفاظ على خواصه المغناطيسية في مجالات مغناطيسية أقوى. يتمتع بمقاومة جيدة للتآكل ويمكن استخدامه في البيئات القاسية. يختلف منحنى إزالة المغناطيسية لسبائك النيكو بشكل غير خطي، مما يعني أنها تُظهر خصائص مختلفة أثناء عملية إزالة المغناطيسية.
الشكل 1 سبائك النيكو المغناطيسية
2.1.2 سبائك التيتانيوم والكوبالت
تعد سبائك التيتانيوم والكوبالت أحد أكثر أنواع المغناطيس الدائم شيوعًا. يمكن أن تحافظ سبائك التيتانيوم والكوبالت على الحث المغناطيسي العالي (1.0-1.25 تيرابايت) ومنتج الطاقة المغناطيسية (2.2 × 10 × 10 ⁵ erg/سم مكعب) في نطاق شدة المجال المغناطيسي حتى 8.75-11.94 كيلو أمبير/متر مكعب. وتسمح خاصية التباطؤ الممتازة هذه لسبائك Ti-Co بفقدان منخفض للطاقة أثناء انعكاس المجال المغناطيسي، مما يحسن من كفاءة تحويل الطاقة ومناسب بشكل خاص لأنظمة المحركات ذات الأحمال المتغيرة المتكررة. إن سبائك التيتانيوم والكوبالت قادرة على تحقيق حث مغناطيسي يصل إلى 1.25 تي في نطاق قوة المجال التشغيلي الذي يتراوح بين 8.75-11.94 كيلو أمبير/متر. وتتيح قوة الحث المغناطيسي العالية هذه إنتاج عزوم مغناطيسية قوية وزيادة الكفاءة عند التشغيل في مجالات مغناطيسية عالية. يمكن أن تحافظ سبائك التيتانيوم والكوبالت على خصائصها المغناطيسية في درجات حرارة أعلى ولا تزيل مغناطيسيتها بشكل كبير، حتى في البيئات ذات درجات الحرارة العالية. ويسمح لها ذلك بالتفوق في المحركات والمولدات الكهربائية التي تعمل في درجات حرارة عالية أو متقلبة، مما يضمن التشغيل الموثوق. يمكن أن تفي سبائك التيتانيوم والكوبالت بالخصائص المغناطيسية العالية مع الحفاظ على قوة ميكانيكية عالية ومقاومة درجات الحرارة العالية من خلال تركيبات كيميائية متناسبة بدقة (مثل الكوبالت والفاناديوم وعناصر أخرى). وهذا يسمح لها بالتفوق في مجموعة واسعة من ظروف التشغيل المعقدة.
الشكل 2 سبائك التيتانيوم والكوبالت
2.1.3 مغناطيسات الكوبالت الأرضية النادرة الدائمة
تنقسم المغناطيسات الدائمة المصنوعة من الكوبالت الترابي النادر إلى نوعين هما RCo5 وR2Co17، حيث يرمز R إلى العناصر الأرضية النادرة مثل السماريوم والبراسيوديميوم والسيريوم واللانثانوم، إلخ. يحتوي النوع الأول على هيكل بلوري سداسي الشكل CaCu5، بينما يحتوي النوع الثاني على هيكل بلوري ثلاثي. الأول هو هيكل النظام البلوري السداسي من نوع CaCu5، والأخير هو هيكل نظام بلوري ثلاثي الأجزاء، ويتميز النوع RCo5 بتباين بلوري مغناطيسي عالٍ، ويتميز النوع R2Co17 بقوة الحث المغناطيسي العالية ونقطة كوري، عن طريق الحديد والنحاس وعناصر أخرى تحل جزئياً محل الكوبالت، وقد تم تحويله إلى مادة عالية الأداء للغاية.
تتميز مغناطيسات الكوبالت بإكراه عالٍ للغاية ومنتجات الطاقة المغناطيسية، وهي فئة من المغناطيس الدائم ذات الأداء الممتاز. تعتمد عملية التحضير بشكل أساسي على طريقة المسحوق وطريقة الصب، وتعتمد طريقة المسحوق على قولبة المجال المغناطيسي والضغط الهيدروستاتيكي وتلبيد المرحلة السائلة وغيرها من العمليات. يستخدم بشكل رئيسي في أنابيب الموجات المتنقلة والمغناطيسية وغيرها من أجهزة التفريغ الكهربائي وأجهزة الميكروويف مثل أجهزة الدوران لتوفير المجال المغناطيسي. كما أنها تستخدم على نطاق واسع في مجالات المحركات الدقيقة، والموصلات الدقيقة، والمحامل المغناطيسية، والساعات الإلكترونية، وغيرها من الأدوات والعدادات الصغيرة الدقيقة.
الشكل 3 مغناطيسات الكوبالت الأرضية النادرة الدائمة
2.2 المواد المغناطيسية اللينة
تشير المواد المغناطيسية اللينة إلى أن المغنطة عند Hc لا تزيد عن 1000 أمبير/متر، وتسمى هذه المواد بالمغناطيسات اللينة. يمكن أن تحقق المواد المغناطيسية اللينة النموذجية أقصى قوة مغنطة مع الحد الأدنى من المجال المغناطيسي الخارجي. المادة المغناطيسية اللينة هي مادة مغناطيسية ذات إكراه منخفض ونفاذية عالية. المواد المغناطيسية اللينة سهلة المغنطة وإزالة المغنطة وتستخدم على نطاق واسع في المعدات الكهربائية والإلكترونية. المواد المغناطيسية اللينة الأكثر استخدامًا على نطاق واسع هي سبائك الحديد والسيليكون (صفائح السيليكون الصلب) ومجموعة متنوعة من الفريت المغناطيسي اللين وما إلى ذلك.
2.2.1 مغناطيس السيليكون الصلب الناعم
يتميز المغناطيس الناعم المصنوع من فولاذ السيليكون بالعديد من المزايا المهمة، مما يجعله يستخدم على نطاق واسع في صناعة إلكترونيات الطاقة. أولاً ، يعني الحث المغناطيسي العالي التشبع لصلب السيليكون أنه يمكن استخدام مقطع عرضي أقل للمواد في ظل نفس ظروف التدفق المغناطيسي ، مما يوفر المواد بشكل فعال ويتيح تصغير المكونات. ثانيًا، يتميز فولاذ السيليكون بخسائر مغناطيسية منخفضة، خاصة في المجالات المغناطيسية للتيار المتردد، كما أن مقاومته العالية تقلل بشكل فعال من خسائر التيار الدوامي، بينما تضمن خسائر التباطؤ المنخفضة أداءً ممتازًا أثناء التشغيل. بالإضافة إلى ذلك ، يتميز فولاذ السيليكون أيضًا بأداء معالجة جيد ، ويسهل معالجته في مواد الألواح ، ومناسب للتثقيب والقطع وتقنيات المعالجة الأخرى ، وتشمل الأشكال الشائعة صفائح فولاذية من السيليكون المدرفلة على البارد ، وشريط فولاذي كهربائي غير موجه مدلفن على البارد وشريط فولاذي كهربائي موجه مدلفن على البارد ، يستخدم على نطاق واسع في الأنظمة الإلكترونية والأجهزة المنزلية في المحولات منخفضة التردد والاختناقات والمكونات الأخرى. أخيرًا، يعمل فولاذ السيليكون بشكل جيد بشكل خاص في التطبيقات منخفضة التردد وعالية الطاقة، خاصة في نوى محولات الطاقة ومحولات التوزيع ومحولات التيار، والتي تستخدم عادة في إلكترونيات الطاقة بترددات تصل إلى 400 هرتز.
الشكل 4 المغناطيس الناعم المصنوع من فولاذ السيليكون
2.2.2.2 الفريت المغناطيسي اللين
يتميز الفريت المغناطيسي الناعم بكثافة تدفق منخفضة للتشبع، ونفاذية منخفضة، ودرجة حرارة منخفضة كوري، وفقدان منخفض عند الترددات المتوسطة والعالية، وتكلفة منخفضة. أول ثلاث نقاط منخفضة هي عيوبه، مما يحد من نطاق استخدامه، والآن (أوائل القرن الحادي والعشرين) يحاول تحسينه. أما المنخفضان الأخيران فيتمثلان في مزاياه، مما يسهل الوصول إلى سوق الترددات العالية، ويجري الآن (في بداية القرن الحادي والعشرين) العمل على التوسع فيه.
الشكل 5 الفريت المغناطيسي اللين
تستخدم المواد المغناطيسية اللينة على نطاق واسع في الإلكترونيات بسبب خصائصها المغناطيسية الممتازة. وهي تستخدم عادةً كمواد أساسية للمحولات والمحثات ومحولات التيار والجهد، حيث يحسن فقدان التباطؤ المنخفض وقوة الحث المغناطيسي العالية في التشبع من كفاءة هذه المكونات ويقلل من فقدان الطاقة. كما تُستخدم المواد المغناطيسية اللينة على نطاق واسع في الأجزاء الثابتة والدوارة للمحركات والمولدات الكهربائية لتعزيز كثافة الطاقة والكفاءة، خاصة في المحركات عالية التردد. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدامها في التدريع الكهرومغناطيسي لتقليل التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) في المعدات الإلكترونية وضمان التشغيل المستقر. وتلعب المواد المغناطيسية اللينة أيضًا دورًا مهمًا في تكنولوجيا التسخين بالحث الحثي، مما يحسن كفاءة التسخين من خلال التفاعل مع التيارات عالية التردد في مجموعة واسعة من التطبيقات مثل تسخين المعادن وصب البلاستيك واللحام. وفي أنظمة إدارة الطاقة، تُستخدم المواد المغناطيسية اللينة في المرشحات ومعدات إمداد الطاقة لتحسين الاستقرار والكفاءة من خلال خصائص الفقد المغناطيسي المنخفضة. وبالإضافة إلى ذلك، تُستخدم المواد المغناطيسية اللينة في المستشعرات المغناطيسية والمكونات السلبية والتركيبات الإلكترونية الأخرى، مثل مستشعرات الموضع ومستشعرات السرعة والمكثفات والمفاتيح المغناطيسية. وعمومًا، تلعب المواد المغناطيسية اللينة دورًا رئيسيًا في صناعة الإلكترونيات في مجموعة متنوعة من المجالات، بدءًا من إدارة الطاقة إلى الاتصالات والأتمتة والأجهزة الطبية بفضل خصائصها المغناطيسية الممتازة وقابليتها للمعالجة.
2.3 السبائك المغناطيسية
السبائك المغناطيسية عبارة عن سبائك تتكون من الحديد وعناصر معدنية أخرى (مثل الكوبالت والنيكل والعناصر الأرضية النادرة وغيرها)، والتي تتمتع بخصائص مغناطيسية ممتازة وتستخدم على نطاق واسع في العديد من المجالات، مثل الإلكترونيات والاتصالات والطاقة. وفقًا للخصائص المغناطيسية المختلفة، تنقسم السبائك المغناطيسية عادةً إلى فئتين: السبائك المغناطيسية اللينة والسبائك المغناطيسية الصلبة.
السبائك المغناطيسية اللينة: تتميز هذه السبائك بفقدان تباطؤ منخفض ونفاذية جيدة، مما يجعلها ممتازة لتطبيقات مثل المحولات والمحركات والمحاثات. تُستخدم السبائك المغناطيسية اللينة الشائعة مثل فولاذ السيليكون وسبائك الحديد والنيكل بشكل أساسي في إلكترونيات الطاقة والأجهزة المنزلية وإلكترونيات السيارات وغيرها من المجالات.
السبائك المغناطيسية الصلبة: تحتوي السبائك المغناطيسية الصلبة على منتج طاقة مغناطيسية عالية وقوة مجال مغناطيسي عالية، ويمكنها الحفاظ على خصائص مغناطيسية مستقرة، وعادة ما تستخدم في تصنيع المغناطيس الدائم. وتشمل السبائك المغناطيسية الصلبة الشائعة سبائك النيوديميوم والحديد والبورون (NdFeB) والألومنيوم والنيكل والكوبالت (AlNiCo) والسبائك القائمة على الكوبالت. وتستخدم على نطاق واسع في مجالات التكنولوجيا الفائقة مثل المحركات الكهربائية وأجهزة الاستشعار ومكبرات الصوت والتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI).
تُظهر السبائك المغناطيسية خصائص أداء مختلفة في التطبيقات العملية. على سبيل المثال، أصبحت مغناطيسات النيوديميوم-الحديد-البورون (NdFeB) مواد لا غنى عنها في الصناعة الحديثة والإلكترونيات بمنتجها العالي من الطاقة المغناطيسية والقوة المغناطيسية القوية، وتستخدم على نطاق واسع في المحركات الكهربائية وتوربينات الرياح ومكبرات الصوت وغيرها من المنتجات. من ناحية أخرى، تُستخدم سبائك النيكو بشكل شائع للمكونات المغناطيسية في البيئات ذات درجات الحرارة العالية والبيئات الخاصة بسبب مقاومتها الجيدة لدرجات الحرارة وثباتها.
الشكل 6 مغناطيس النيوديميوم-الحديد-البورون (NdFeB)
3 خصائص المواد المغناطيسية للإلكترونيات
3.1 النفاذية المغناطيسية
النفاذية المغناطيسية هي كمية فيزيائية تميز الخواص المغناطيسية للوسط المغناطيسي. تشير إلى مقاومة التدفق المغناطيسي أو القدرة على توصيل خطوط القوة المغناطيسية في مجال مغناطيسي بعد تدفق التيار عبر ملف في الفضاء أو في الفضاء الأساسي. وصيغتها μ = B / H، حيث H = شدة المجال المغناطيسي، B = شدة الحث المغناطيسي، والرموز شائعة الاستخدام μ، μ لنفاذية الوسط، أو النفاذية المطلقة.
تعد النفاذية المغناطيسية في المنتجات الإلكترونية على تأثير الخصائص الكهرومغناطيسية مهمة جدًا، خاصة في الحث الكهرومغناطيسي والحث والإغلاق المغناطيسي والدرع الكهرومغناطيسي والجوانب الأخرى. في عملية الحث الكهرومغناطيسي، تحدد النفاذية المغناطيسية قدرة المادة على الاستجابة للتغيرات في المجال المغناطيسي، والتي بدورها تؤثر على حجم التيار المستحث.
يمكن أن يؤدي اختيار المواد ذات النفاذية المناسبة إلى تحسين كفاءة وأداء الأجهزة مثل المحولات والمحثات. في المحاثات، يمكن للمواد ذات النفاذية العالية أن تعزز العلاقة بين التيار المستحث في الملف وشدة المجال المغناطيسي، مما يحسن كفاءة الجهاز وحساسيته. في مواد الحصر المغناطيسي، يمكن للمواد ذات النفاذية المغناطيسية العالية أن تقلل بشكل فعال من تسرب المجال المغناطيسي وتعزز تركيز المجال المغناطيسي وفعاليته.
وبالإضافة إلى ذلك، تلعب النفاذية المغناطيسية أيضًا دورًا مهمًا في التدريع الكهرومغناطيسي، ويمكن أن يؤدي اختيار المواد ذات النفاذية المغناطيسية العالية إلى امتصاص طاقة الموجات الكهرومغناطيسية أو عكسها أو تشتيتها بشكل فعال، وتقليل تداخل الإشعاع الكهرومغناطيسي وتلفه على المعدات الإلكترونية ومعدات الاتصالات ومعدات الفضاء. ولذلك، تلعب النفاذية المغناطيسية دورًا حاسمًا في تحسين الأداء الكهرومغناطيسي للمنتجات الإلكترونية، وتحسين كفاءة المعدات وتقليل التداخل الكهرومغناطيسي.
الشكل 7 النفاذية المغناطيسية
3.2 كثافة التدفق المغناطيسي للتشبع
تشيركثافة التدفق المغناطيسي للتشبع ( SMFD) إلى قيمة حدية لشدة الحث المغناطيسي (شدة المجال المغناطيسي) داخل مادة مغناطيسية يتم الوصول إليها تدريجيًا مع زيادة شدة المجال المغناطيسي المطبق. وعندما تزداد شدة المجال المغناطيسي بشكل أكبر، لن تزداد شدة المجال المغناطيسي داخل المادة، وهذه القيمة الحدية هي كثافة التدفق المغناطيسي المشبعة للمادة. باختصار، الحث المغناطيسي التشبعي هو الحد الأقصى لشدة المجال المغناطيسي الذي يمكن أن تتحمله المادة. وتؤثر قوة الحث المغناطيسي للتشبع تأثيرًا مهمًا على التطبيق، وهو ما ينعكس بشكل أساسي في عدة جوانب.
أولًا وقبل كل شيء، تحدد قوة الحث المغناطيسي التشبعي للمادة الحد الأقصى للطاقة المغناطيسية التي يمكن أن تخزنها في مجال مغناطيسي قوي، والتي لا تستطيع المادة بعدها تعزيز خصائصها المغناطيسية بشكل أكبر، وهو أمر بالغ الأهمية لتصميم المكونات المغناطيسية عالية الأداء (مثل المحاثات والمحولات والمغناطيسات الدائمة وغيرها). ويمكن أن تعمل المواد ذات قوة الحث المغناطيسي عالية التشبع عند شدة مجال مغناطيسي أعلى، مما يوفر تدفقًا مغناطيسيًا أكبر للأجهزة عالية الطاقة والكفاءة.
ثانياً، في المكونات المغناطيسية مثل المحاثات والمحولات، تعني قوة الحث المغناطيسي عالية التشبع إمكانية تخزين المزيد من الطاقة المغناطيسية في نفس الحجم، مما يسمح بتصميمات مصغرة. على سبيل المثال، يقلل استخدام مواد قوة الحث المغناطيسي عالية التشبع في المحولات من حجم القلب ويقلل من وزن الجهاز مع الحفاظ على الأداء والكفاءة العالية.
وبالإضافة إلى ذلك، فإن التطبيقات المختلفة لها متطلبات مختلفة لقوة الحث المغناطيسي للتشبع، وفي المعدات الإلكترونية عالية التردد، ومعالجة الإشارات، والمعدات الكهربائية عالية الطاقة، يمكن أن يؤدي اختيار مواد قوة الحث المغناطيسي عالية التشبع إلى تحسين أداء النظام بشكل فعال. في محولات الطاقة، يمكن لهذه الخاصية أن تزيد من كثافة التدفق المغناطيسي، وتقلل من الخسائر الأساسية، وبالتالي تحسين كفاءة المحول.
أخيرًا، يتأثر الحث المغناطيسي التشبعي أيضًا بدرجة الحرارة، حيث تتناقص معظم المواد في الحث المغناطيسي التشبعي مع ارتفاع درجة الحرارة، وهو أمر مهم بشكل خاص للتطبيقات في بيئات التشغيل ذات درجات الحرارة العالية، خاصة في إلكترونيات السيارات والفضاء ومعدات الطاقة، حيث يكون من المهم اختيار المواد التي تحافظ على الحث المغناطيسي التشبعي العالي في درجات الحرارة العالية.
الشكل 8 كثافة التدفق المغناطيسي للتشبع
3.3 الإكراه
القسرية هي إحدى الخصائص المهمة للمواد المغناطيسية وتشير إلى قدرة المادة على الاحتفاظ بخصائصها المغناطيسية بعد إزالة المجال المغناطيسي، أو الحد الأدنى من شدة المجال المغناطيسي الخارجي المطلوب لعكس اتجاه مغنطة المادة. وهي تعكس قدرة المادة على مقاومة انعكاس المغنطة وبالتالي فهي حاسمة بالنسبة لأداء المغناطيس الدائم. ينعكس تأثير الإكراه على المغناطيس الدائم بشكل أساسي في الاستقرار المغناطيسي ومقاومة إزالة المغنطة وشدة المجال المغناطيسي مقابل الحجم واختيار التطبيق. ويعني ارتفاع الإكراه أن المادة يمكنها الحفاظ على خصائص مغناطيسية قوية، حتى تحت تأثير المجال المغناطيسي المحيط الخارجي أو تغيرات درجة الحرارة، لفترة أطول، وهو أمر بالغ الأهمية للتطبيقات التي تتطلب ثباتًا طويل الأجل، مثل المحركات الكهربائية والمولدات وأجهزة الاستشعار.
بالإضافة إلى ذلك ، كلما زادت الإكراه ، زادت قدرة المادة على إزالة المغناطيسية ، حتى في درجات الحرارة العالية أو المجالات المغناطيسية الخارجية القوية والبيئات القاسية الأخرى ، لا تفقد المادة خصائصها المغناطيسية بسهولة ، وبالتالي فإن أداء المغناطيس الدائم عالي الإكراه في بيئات التشغيل المعقدة أكثر تفوقًا ، ويستخدم على نطاق واسع في السيارات والفضاء وغيرها من المجالات. يمكن للمغناطيس الدائم عالي الإكراه أن يحقق مجالات مغناطيسية أقوى في حجم أصغر، وهو أمر مهم بشكل خاص للمعدات المصغرة والأدوات الدقيقة والأجهزة المحمولة. على سبيل المثال، في المحركات المصغرة وأجهزة الاستشعار والمحركات المغناطيسية عالية الكفاءة، يمكن للمغناطيسات الدائمة ذات الإكراه العالي توفير قوة مغناطيسية كافية لتحسين كفاءة المعدات وأدائها. وتختلف متطلبات الإكراه من تطبيق لآخر، حيث يتم اختيار المواد ذات الإكراه الأعلى غالبًا للتطبيقات التي تتطلب مجالات مغناطيسية قوية ومستقرة، مثل المحركات الكهربائية والمولدات المغناطيسية الدائمة والمحركات المغناطيسية، بينما تكون المواد ذات الإكراه المنخفضة كافية للتطبيقات التي لا تتطلب مجالات مغناطيسية قوية، مما يقلل من التكاليف.
4 المواد المغناطيسية في الأجهزة الإلكترونية
تلعب المواد المغناطيسية دورًا حاسمًا في مختلف الأجهزة الإلكترونية، بما في ذلك إمدادات الطاقة والمحولات وأنظمة تخزين البيانات والمحركات وأجهزة الاستشعار وأجهزة الاتصالات اللاسلكية، نظرًا لقدرتها على التفاعل مع المجالات المغناطيسية وتسهيل تحويل الطاقة وتخزين البيانات ونقل الإشارات.
4.1 إمدادات الطاقة والمحولات
في إمدادات الطاقة والمحولات، تعتبر المواد المغناطيسية ضرورية لتحويل الجهد وتنظيمه. وتعتمد المحولات، على سبيل المثال، على نوى مغناطيسية مصنوعة من مواد مغناطيسية لينة مثل فولاذ السيليكون أو الفريت. تعمل هذه المواد على تعزيز كفاءة الحث الكهرومغناطيسي، مما يمكّن المحول من زيادة الجهد أو خفضه بفعالية. وتسمح الخصائص المغناطيسية بنقل الطاقة الكهربائية من ملف إلى آخر دون تلامس كهربائي مباشر، مما يجعل المحولات لا غنى عنها في أنظمة توزيع الطاقة، حيث تقوم بتحويل الكهرباء ذات الجهد العالي للاستخدام الآمن في المنازل والصناعات.
4.2 تخزين البيانات
تعتبر المواد المغناطيسية حيوية أيضًا في تطبيقات تخزين البيانات، خاصة في محركات الأقراص الصلبة والأشرطة المغناطيسية. في محركات الأقراص الصلبة، تُستخدم طبقات رقيقة من المواد المغناطيسية لتخزين المعلومات الرقمية. تقوم رؤوس القراءة/الكتابة في محركات الأقراص بتغيير المحاذاة المغناطيسية على سطح القرص، مما يسمح بكتابة البيانات أو استرجاعها. كما تستخدم الأشرطة المغناطيسية، التي تُستخدم عادةً للتخزين الاحتياطي، مبادئ مماثلة لتخزين البيانات في مجال مغناطيسي، مما يتيح حفظ البيانات على المدى الطويل.
4.3 المحركات وأجهزة الاستشعار
في المحركات وأجهزة الاستشعار، تسهّل المواد المغناطيسية تحويل الطاقة الكهربائية إلى حركة ميكانيكية والعكس صحيح. على سبيل المثال، تُستخدم المغناطيسات الدائمة والمغناطيسات الكهربائية في تصميم المحركات الكهربائية، بما في ذلك المحركات بدون فرش، والتي تُستخدم على نطاق واسع في تطبيقات تتراوح بين السيارات والروبوتات. تستخدم المستشعرات، مثل مستشعرات التيار، مواد مغناطيسية لاكتشاف وقياس المجالات المغناطيسية التي تنتجها التيارات الكهربائية، مما يوفر تغذية راجعة مهمة في أنظمة التحكم.
الشكل 9 الحساسات المغناطيسية
للمواد المغناطيسية أهمية مماثلة في تقنيات الاتصالات اللاسلكية. في الأجهزة اللاسلكية، تعتمد مكونات مثل الهوائيات والمعدلات ومزيلات التضمين ومكونات التردد اللاسلكي على المواد المغناطيسية لتحسين إرسال الإشارات واستقبالها. وتساعد هذه المواد على تركيز الموجات الكهرومغناطيسية وتوجيهها، مما يحسّن أداء أنظمة الاتصالات، مثل الهواتف المحمولة وأجهزة توجيه الواي فاي والاتصالات عبر الأقمار الصناعية.
5 الخلاصة
تعد المواد المغناطيسية ضرورية في مجموعة واسعة من الأجهزة الإلكترونية، حيث تؤدي أدوارًا رئيسية في تحويل الطاقة وتخزين البيانات والتحكم في الحركة ونقل الإشارات. ففي إمدادات الطاقة والمحولات، تمكّن هذه المواد المغناطيسية من تنظيم الجهد الكهربائي بكفاءة، بينما تسهّل في أنظمة تخزين البيانات مثل محركات الأقراص الصلبة والأشرطة المغناطيسية تسجيل البيانات واسترجاعها بشكل موثوق. وفي المحركات وأجهزة الاستشعار، تُعد المواد المغناطيسية جزءًا لا يتجزأ من تحويل الطاقة والقياس الدقيق، حيث تعمل على تشغيل كل شيء بدءًا من السيارات الكهربائية إلى الروبوتات الصناعية. وبالإضافة إلى ذلك، تعمل المكونات المغناطيسية في أجهزة الاتصالات اللاسلكية على تحسين أداء الهوائيات ومكونات الترددات اللاسلكية، مما يضمن إرسال واستقبال الإشارات على النحو الأمثل. وبشكل عام، تعتبر المواد المغناطيسية أساسية لوظائف وأداء الإلكترونيات الحديثة.
وتُعد Stanford Advanced Materials (SAM) مزوداً رئيسياً للمواد المغناطيسية عالية الجودة، حيث تدعم هذه التطبيقات الهامة بحلول مواد موثوقة.
للمزيد من القراءة:
المواد الإلكترونية الأساسية: الجزء 1 - السيليكون
المواد الإلكترونية الأساسية: الجزء 2 - كربيد السيليكون
المواد الإلكترونية الأساسية: الجزء 1 - الجرمانيوم: الجزء 3 - الجرمانيوم
المواد الإلكترونية الأساسية: الجزء 3 - الجرمانيوم: الجزء 4 - مركبات الغاليوم
المواد الإلكترونية الأساسية: الجزء 6 - المواد الموصلة والعازلة: الجزء 6 - المواد الموصلة والعازلة
