هیسترزیس مغناطیسی

هیسترزیس مغناطیسی که همان تأخیر یا کندی یک ماده مغناطیسی میباشد، به خواص مغناطیسی یک ماده مربوط می شود که توسط آن ابتدا مغناطیسی شده و سپس مغناطیس زدایی می شود.

می دانیم که شار مغناطیسی تولید شده توسط یک سیم پیچ الکترومغناطیسی مقدار میدان مغناطیسی یا خطوط نیرویی است که در یک ناحیه معین تولید می شود و معمولاً به آن “چگالی شار” می گویند.

نماد آن B و با واحد چگالی شار تسلا، T.

همچنین از آموزش های قبلی می دانیم که قدرت مغناطیسی یک آهنربای الکتریکی به تعداد دور سیم پیچ، جریان عبوری از سیم پیچ یا نوع ماده هسته مورد استفاده بستگی دارد و اگر جریان یا تعداد دور آنها را افزایش دهیم  می توانیم قدرت میدان مغناطیسی را افزایش دهیم، نماد آن H میباشد.

قبلاً، نفوذپذیری نسبی، نماد μr به عنوان نسبت نفوذپذیری مطلق μ و نفوذپذیری فضای آزاد μo (یک خلاء) تعریف می شد و این به عنوان یک ثابت داده یاد می شد.

با این حال، رابطه بین چگالی شار، B و شدت میدان مغناطیسی، H را می توان با این واقعیت تعریف کرد که نفوذپذیری نسبی، μr یک ثابت نیست، بلکه تابعی از شدت میدان مغناطیسی است و در نتیجه چگالی شار مغناطیسی را به صورت زیر می دهد:

B = μ H

سپس چگالی شار مغناطیسی در ماده به دلیل نفوذپذیری نسبی آن برای ماده در مقایسه با چگالی شار مغناطیسی در خلاء، μoH با یک عامل بزرگ‌تر افزایش می‌یابد و برای یک سیم‌پیچ با هسته هوا این رابطه به صورت زیر داده می‌شود:

با ترسیم مقادیر چگالی شار، (B) در برابر قدرت میدان، (H) می‌توانیم مجموعه‌ای از منحنی‌ها به نام منحنی‌های مغناطیسی، منحنی‌های هیسترزیس مغناطیسی یا معمولاً منحنی‌های B-H را برای هر نوع ماده هسته‌ای که در زیر استفاده می‌شود، تولید کنیم.

مغناطیس یا منحنی B-H

مجموعه منحنی‌های مغناطیسی، M در بالا نمونه‌ای از رابطه بین B و H را برای هسته‌های فولادی و آهنی نرم نشان می‌دهد، اما هر نوع ماده هسته مجموعه‌ای از منحنی‌های پسماند مغناطیسی خود را دارد.

ممکن است متوجه شوید که چگالی شار متناسب با شدت میدان افزایش می‌یابد تا زمانی که به مقدار معینی برسد، در صورتی که دیگر نمی‌تواند افزایش یابد و با ادامه افزایش قدرت میدان، تقریباً یکسان و ثابت می‌شود.

این به این دلیل است که محدودیتی برای مقدار چگالی شار وجود دارد که می تواند توسط هسته ایجاد شود زیرا تمام حوزه های آهن کاملاً در یک راستا قرار دارند.

هر گونه افزایش بیشتر تأثیری بر مقدار M نخواهد داشت و به نقطه ای از نمودار که چگالی شار به حد خود می رسد،

اشباع مغناطیسی نام گرفته که به عنوان اشباع هسته نیز شناخته می شود و در مثال ساده ما در

بالای نقطه اشباع منحنی فولاد شناخته می شود.

از حدود 3000 آمپر دور بر متر شروع می شود.

اشباع به این دلیل اتفاق می‌افتد که همانطور که از آموزش قبلی مغناطیس که شامل نظریه وبر می‌شد، به یاد داریم، آرایش تصادفی ساختار مولکولی در ماده هسته تغییر می‌کند، زیرا آهن‌رباهای مولکولی ریز درون ماده به‌هم ردیف می‌شوند.

با افزایش قدرت میدان مغناطیسی، (H) این آهن‌رباهای مولکولی بیشتر و بیشتر در یک راستا قرار می‌گیرند تا زمانی

که به تراز کامل برسند و حداکثر چگالی شار را تولید کنند و هر گونه افزایش در قدرت میدان مغناطیسی به دلیل

افزایش جریان الکتریکی که از سیم‌پیچ عبور می‌کند، مقدار کمی خواهد داشت یا بدون تاثیر خواهد بود.

نگهداری

اجازه دهید فرض کنیم که یک سیم پیچ الکترومغناطیسی با قدرت میدان زیاد به دلیل جریانی که از آن می گذرد داریم و ماده هسته فرومغناطیسی به نقطه اشباع خود یعنی حداکثر چگالی شار رسیده است.

اگر اکنون یک کلید را باز کنیم و جریان مغناطیسی را که از سیم پیچ می گذرد حذف کنیم، انتظار داریم با کاهش شار مغناطیسی به صفر، میدان مغناطیسی اطراف سیم پیچ ناپدید شود.

با این حال، شار مغناطیسی به طور کامل ناپدید نمی شود زیرا مواد هسته الکترومغناطیسی هنوز مقداری از مغناطیس خود را حفظ می کند حتی زمانی که جریان در سیم پیچ متوقف شده است.

این توانایی یک سیم پیچ برای حفظ مقداری مغناطیس خود در هسته پس از توقف فرآیند مغناطیسی،

Retentivity یا remanence نامیده می شود، در حالی که مقدار چگالی شار هنوز در هسته باقی مانده مغناطیسی باقی مانده، BR نامیده می شود.

دلیل این امر این است که برخی از آهنرباهای مولکولی کوچک به یک الگوی کاملاً تصادفی باز نمی گردند و همچنان در جهت میدان مغناطیسی اصلی قرار می گیرند که نوعی “حافظه” به آنها می دهد.

برخی از مواد فرومغناطیسی دارای قابلیت نگهداری بالا (از نظر مغناطیسی سخت) هستند که آنها را برای تولید آهنرباهای دائمی عالی می کند.

در حالی که سایر مواد فرومغناطیسی قابلیت نگهداری کم (از نظر مغناطیسی نرم) دارند و آنها را برای استفاده در آهنرباهای الکترومغناطیسی، سلونوئیدها یا رله ها ایده آل می کند.

یکی از راه‌های کاهش چگالی شار باقی‌مانده به صفر، معکوس کردن جهت جریان عبوری از سیم‌پیچ است و در نتیجه مقدار H، شدت میدان مغناطیسی منفی می‌شود.

این اثر نیروی اجباری، HC نام گرفته است.

اگر این جریان معکوس بیشتر افزایش یابد، چگالی شار نیز در جهت معکوس افزایش می یابد تا زمانی که هسته فرومغناطیسی دوباره به اشباع برسد، اما در جهت معکوس از قبل. با کاهش جریان مغناطیسی، i یک بار دیگر به صفر مقدار مشابهی از مغناطیس باقیمانده را تولید خواهد کرد اما در جهت معکوس.

سپس با تغییر مداوم جهت جریان مغناطیسی از طریق سیم پیچ از جهت مثبت به جهت منفی، همانطور که در منبع AC چنین است، می توان یک حلقه Hysteresis مغناطیسی از هسته فرومغناطیسی تولید کرد.

حلقه هیسترزیس مغناطیسی

حلقه Hysteresis مغناطیسی بالا، رفتار یک هسته فرومغناطیسی را به صورت گرافیکی نشان می دهد.

زیرا رابطه بین B و H غیر خطی است. با شروع با یک هسته مغناطیسی نشده، هر دو B و H در نقطه صفر، نقطه صفر در منحنی مغناطیسی خواهند بود.

اگر جریان مغناطیسی، i در جهت مثبت به مقداری افزایش یابد، شدت میدان مغناطیسی H به صورت خطی با i افزایش

می‌یابد و چگالی شار B نیز همانطور که توسط منحنی از نقطه 0 تا نقطه a نمایان است، افزایش می‌یابد.

حال اگر جریان مغناطیسی در سیم پیچ به صفر برسد، میدان مغناطیسی در گردش در اطراف هسته نیز به صفر می رسد.

با این حال، شار مغناطیسی سیم‌پیچ‌ها به دلیل مغناطیس باقیمانده موجود در هسته به صفر نخواهد رسید و این

روی منحنی از نقطه a تا نقطه b به نمایش درمی آید.

برای کاهش چگالی شار در نقطه b به صفر، باید جریان عبوری از سیم پیچ را معکوس کنیم.

نیروی مغناطیسی که باید برای از بین بردن چگالی شار باقیمانده اعمال شود، “نیروی اجباری” نامیده می شود.

این نیروی اجباری میدان مغناطیسی را معکوس می کند و آهنرباهای مولکولی را مرتب می کند تا زمانی که هسته در نقطه c مغناطیسی نشود.

افزایش این جریان معکوس باعث می شود که هسته در جهت مخالف مغناطیسی شود و افزایش بیشتر این

جریان مغناطیسی باعث می شود که هسته به نقطه اشباع خود برسد اما در جهت مخالف به نقطه d روی منحنی برسد.

این نقطه با نقطه b متقارن است.

اگر جریان مغناطیسی دوباره به صفر کاهش یابد، مغناطیس باقیمانده موجود در هسته برابر با مقدار قبلی خواهد بود، اما در نقطه e برعکس.

دوباره معکوس کردن جریان مغناطیسی که از طریق سیم پیچ می گذرد این بار در جهت مثبت باعث می شود

که شار مغناطیسی به صفر برسد، نقطه f روی منحنی و مانند قبل افزایش بیشتر جریان مغناطیسی در

جهت مثبت باعث می شود که هسته در نقطه a به اشباع برسد.

سپس منحنی B-H مسیر a-b-c-d-e-f-a را دنبال می کند زیرا جریان مغناطیسی که از سیم پیچ عبور می کند

بین یک مقدار مثبت و منفی مانند چرخه ولتاژ AC متناوب می شود.

به این مسیر حلقه هیسترزیس مغناطیسی اطلاق میگردد.

اثر پسماند مغناطیسی نشان می‌دهد که فرآیند مغناطیسی یک هسته فرومغناطیسی و در نتیجه چگالی شار

بستگی دارد که هسته فرومغناطیسی روی کدام قسمت از منحنی مغناطیسی  باشه.

سپس مواد فرومغناطیسی دارای حافظه هستند زیرا پس از حذف میدان مغناطیسی خارجی، مغناطیسی باقی می مانند.

با این حال، مواد فرومغناطیسی نرم مانند آهن یا فولاد سیلیکونی دارای حلقه‌های پسماند مغناطیسی بسیار باریکی

هستند که در نتیجه مقادیر بسیار کمی مغناطیس باقیمانده ایجاد می‌شود و آنها را برای استفاده در رله‌ها،

شیر برقی‌ها و ترانسفورماتورها ایده‌آل می‌کند، زیرا می‌توان آنها را به راحتی مغناطیسی و مغناطیسی زدایی کرد.

از آنجایی که برای غلبه بر این مغناطیس باقیمانده باید یک نیروی اجباری اعمال شود،

باید برای بستن حلقه پسماند کاری انجام شود که انرژی مورد‌استفاده بعنوان گرما در ماده مغناطیسی پراکنده یشه.

این گرما به عنوان تلفات هیسترزیس شناخته می شود، میزان تلفات به مقدار نیروی اجباری ماده بستگی دارد.

با افزودن مواد افزودنی به فلز آهن مانند سیلیکون می توان موادی با نیروی اجباری بسیار کم ساخت که

دارای یک حلقه پسماند بسیار باریک هستند. مواد با حلقه‌های پسماند باریک به راحتی مغناطیسی و

هیسترزیس مغناطیسی می‌شوند و به عنوان مواد مغناطیسی نرم شناخته می‌شوند.

حلقه های هیسترزیس مغناطیسی برای مواد نرم و سخت

پسماند مغناطیسی منجر به اتلاف انرژی تلف شده به صورت گرما می شود و انرژی تلف شده متناسب با مساحت

حلقه پسماند مغناطیسی است. تلفات هیسترزیس همیشه در ترانسفورماتورهای AC که جریان دائماً در حال

تغییر جهت است و در نتیجه قطب های مغناطیسی در هسته باعث تلفات می شوند زیرا دائماً جهت را

معکوس می کنند، مشکل ساز خواهد بود.

سیم‌پیچ‌های دوار در ماشین‌های DC همچنین با عبور متناوب از شمال قطب‌های مغناطیسی جنوب، دچار تلفات پسماند می‌شوند.

همانطور که قبلاً گفتیم، شکل حلقه پسماند بستگی به ماهیت آهن یا فولاد مورد استفاده دارد

و در مورد آهنی که در معرض وارونه‌های شدید مغناطیس است، برای مثال هسته‌های ترانسفورماتور،

مهم است که حلقه پسماند BH  تا حد امکان کوچک  باشد.

در آموزش بعدی در مورد الکترومغناطیس، قانون القای الکترومغناطیسی فارادی را بررسی خواهیم کرد و خواهیم دید که با حرکت یک هادی سیم در یک میدان مغناطیسی ثابت، می توان جریان الکتریکی را در هادی تولید کننده یک ژنراتور ساده القا کرد.

 

 

منبع : کلیک