هیسترزیس مغناطیسی

افت و تاخیر یک ماده مغناطیسی که اغلب به‌عنوان هیسترزیس مغناطیسی شناخته می‌شود، به خواص مغناطیس‌کنندگی ماده بستگی دارد که برطبق آن ماده در ابتدا مغناطیسی شده و سپس مغناطیسی زدایی می‌شود.

می‌دانیم که شارمغناطیسی تولیدشده توسط یک سیم‌پیچ الکترومغناطیسی مقدار میدان مغناطیسی یا خطوط نیروی ایجادشده درون ناحیه مشخص است و  اغلب «چگالی شار» نامیده می‌شود. چگالی شار با نماد B نشان داده می‌شود و واحد آن تسلا (T) است.

 همچنین از آموزش قبلی می‌دانیم که شدت مغناطیسی یک آهنربای الکتریکی به تعداد دورهای سیم‌پیچ، جریان درون سیم‌پیچ یا جنس هسته بستگی دارد، و اگر جریان یا تعداد دورهای سیم‌پیچ را افزایش دهیم شدت میدان مغناطیسی (H) افزایش می‌یابد.

پیشتر، نفوذپذیری نسبی، با نماد μr ،  به‌صورت نسبت نفوذپذیری مطلق μ  و ثابت نفوذپذیری فضای آزاد (خلا) μo تعریف شد. با توجه به اینکه μr ثابت نیست و تابعی از شدت میدان مغناطیسی و چگالی مغناطیسی است، رابطه میان چگالی شار، B و شدت میدان مغناطیسی H، به صورت زیر تعریف شود:

                                                                                              B= μ H  

بنابراین چگالی شار مغناطیسی در ماده با نفوذپذیری نسبی بزرگ‌تر  در مقایسه با چگالی شار مغناطیسی در خلا، μo H افزایش خواهد یافت و این رابطه برای سیم پیچ با هسته هوا به‌صورت زیر بیان می‌شود:  

 بنابراین برای مواد فرومغناطیس نسبت چگالی شار به شدت میدان مغناطیسی (B/H) ثابت نیست و با چگالی شار تغییر می‌کند. بااین‌حال، برای سیم‌پیچ‌ها با هسته هوا یا هر هسته با ماده غیرمغناطیسی مانند چوب یا پلاستیک، این نسبت می‌تواند ثابت درنظرگرفته شود و این ثابت μo نفوذپذیری خلا است (μo = ۴.π.۱۰-۷ H/m ).

با رسم مقادیر چگالی شار (B) برحسب شدت میدان (H)، می‌توانیم یک مجموعه از منحنی‌ها را خواهیم داشت که منحنی‌های مغناطیس شوندگی، هیسترزیس مغناطیسی یا منحنی‌های B-H برای هر ماده هسته نامیده می‌شوند که در شکل زیر نشان داده شده‌اند.

شکل ۲.منحنی مغناطیس شوندگی

 این مجموعه از منحنی‌های مغناطیس شوندگی (M)، در شکل بالا رابطه میان B و H را برای هسته‌های آهن نرم و فولاد نشان می‌دهد. هر ماده  منحنی‌های پسماند مغناطیسی خاص خود را دارد. مقدار چگالی شار با افزایش شدت میدان تا مقدار مشخصی افزایش می‌یابد. پس از این مقدار چگالی شار افزایش نمی‌یابد و به مقدار تقریبا ثابتی می‌رسد در حالی‌که شدت میدان افزایش می‌یابد.

این پدیده به دلیل  محدودیت اندازه چگالی شار تولیدشده توسط هسته که ناشی از بخوبی همسو شدن تمامی حوزه‌های مغناطیسی در آهن است، رخ می دهد.  افزایش بیش‌تر چگالی شار تاثیری در مقدار M نخواهد داشت، نقطه‌ای در مدار که چگالی مغناطیسی به حد بالای خود می‌رسد اشباع مغناطیسی یا اشباع هسته نامیده می‌شود. در مثال ساده بالا،  اشباع منحنی فولاد در شدت میدان مغناطیسی حدود 3000 آمپر-دور در متر روی می‌دهد.

اشباع به این دلیل رخ می‌دهد که با اعمال میدان، آرایش تصادفی بی‌نظم ساختار مولکولی ماده هسته با هم‌راستا شدن آهنرباهای مولکولی کوچک در ماده هسته در جهت میدان، منظم می‌شود.

با افزایش شدت میدان مغناطیسی (H)، آهنرباهای مولکولی بیش‌تر و بیش‌تر هم‌راستا می‌شوند تا زمانی‌که به هم‌راستایی عالی دست یابند و حداکثر چگالی شار تولید شود. هر افزایشی در شدت میدان مغناطیسی به دلیل افزایش جریان الکتریکی درون سیم پیچ، تاثیر ناچیزی بر چگالی شار خواهد داشت.

.

پایداری

 فرض می‌کنیم یک سیم‌پیچ الکترومغناطیسی داریم که به دلیل جریان الکتریکی زیاد درون آن قدرت مغناطیسی بالایی دارد، و ماده هسته فرومغناطیس به نقطه اشباع یا حداکثر چگالی شار خود رسیده است.با باز کردن یک کلید و حذف جریان درون سیم‌پیچ،  انتظار داریم که میدان مغناطیسی حول سیم‌پیچ با کاهش شار مغناطیسی تا صفر ناپدید شود.

با این‌حال، شار مغناطیسی به طور کامل ناپدید نمی‌شود چرا که ماده هسته الکترومغناطیسی حتی با توقف جریان الکتریکی درون سیم‌پیچ کمی از خاصیت مغناطیسی خود را حفظ می‌کند. این توانایی سیم‌پیچ برای حفظ کمی از خاصیت مغناطیسی خود پس از توقف فرآیند مغناطیس‌گنندگی و صفر شدن جریان سیم‌پیچ ،پایداری مغناطیسی یا مغناطیس پسماند نامیده می‌شود. مقدار چگالی شار باقی‌مانده در هسته، پسماند مغناطیسی BR نامیده می‌شود.

 این موضوع که برخی از آهنرباهای مولکولی ریز به الگوی کاملا تصادفی برنمی‌گردند و در جهت میدان مغناطیس کنندگی اصلی باقی می‌مانند به آنها نوعی «حافظه» می‌دهد. پایداری بالای برخی مواد فرومغناطیس (از نظر مغناطیسی سخت هستند) سبب می‌شود که این مواد انتخاب مناسبی برای تولید آهنرباهای دائمی باشند.

در حالی‌که دیگر مواد فرومغناطیس پایداری کمی دارند (از نظر مغناطیسی نرم هستند) و در تولید آهنرباهای الکتریکی، سلونوئیدها یا رله‌ها بکار می‌روند. معکوس کردن جهت جریان الکتریکی درون سیم‌پیچ، چگالی شار پسماند را به صفر کاهش می‌دهد، در نتیجه مقدار شدت میدان مغناطیسی (H) منفی می‌شود، این اثر نیروی وادارنده مغناطیسی (Coercive Force)،  نامیده می‌شود.

با افزایش جریان معکوس، چگالی شار مغناطیسی نیز تا زمانی‌که هسته فرومغناطیس در جهت معکوس دوباره به اشباع برسد، در جهت معکوس افزایش خواهد یافت. با کاهش جریان مغناطیس‌کنندگی، i به صفر، دوباره همان مقدار مغناطیس‌کنندگی پسماند اما در جهت مخالف تولید خواهدشد.

با تغییر جهت دائمی جریان مغناطیس‌کنندگی سیم‌پیچ از جهت مثبت به جهت منفی (همانند منبع تغذیه AC)،  یک حلقه هیسترزیس مغناطیسی از هسته فرومغناطیس تولید خواهدشد.

شکل ۳.حلقه هیسترزیس مغناطیسی

حلقه هسترزیس مغناطیسی فوق، رفتار یک هسته فرومغناطیسی را به صورت یک رابطه غیرخطی میان B و H نشان می‌دهد. اگر یک هسته مغناطیسی‌نشده را درنظر بگیریم،  مقادیر B و H صفر خواهند بود که متناظر با نقطه صفر در منحنی هیسترزیس است.

 با افزایش جریان مغناطیس‌شوندگی (i) در جهت مثبت، شدت میدان مغناطیسی (H) تا مقدار مشخصی به صورت خطی با i افزایش خواهد یافت و چگالی شار (H) نیز همانند شکل بالا از نقطه صفر به نقطه a افزایش یافته و به سمت اشباع می‌رود.

حال اگر جریان مغناطیس‌شوندگی در سیم‌پیچ به صفر کاهش یابد، میدان مغناطیسی اطراف هسته نیز صفر می‌شود. بااین‌حال، شار مغناطیسی سیم‌پیچ‌ها به دلیل  مغناطیس پسماند موجود در هسته به صفر نخواهد رسید و  این مورد برروی منحنی از نقطه a به نقطه b نشان داده شده است.

 برای کاهش چگالی شار مغناطیسی در نقطه b به صفر باید جهت جریان درون هسته معکوس شود. نیروی مغناطیس‌شوندگی که باید برای صفر کردن چگالی شار پسماند اعمال شود «نیروی وادارنده مغناطیسی» نامیده می‌شود. این نیروی وادارنده مغناطیسی با معکوس کردن میدان مغناطیسی، آرایش آهنرباهای مولکولی تصادفی می‌شود و هسته در نقطه  c غیرمغناطیسی خواهدشد.                            

با افزایش جریان معکوس، هسته در جهت معکوس مغناطیسیه‌ ‌می‌شود و افزایش بیش‌تر این جریان موجب خواهدشد که هسته درجهت معکوس به نقطه اشباع برسد، نقطه d برروی منحنی نقطه اشباع معکوس را نشان می‌دهد.

ین نقطه قرینه نقطه b است. اگر جریان مغناطیس‌کنندگی دوباره به صفر کاهش یابد، پسماند مغناطیسی موجود در هسته برابر مقدار قبلی اما در جهت معکوس خواهدبود، این مقدار برروی منحنی در نقطه e نشان داده شده است.

دوباره با معکوس کردن جریان مغناطیسی درون سیم‌پیچ این بار در جهت مثبت شار مغناطیسی در نقطه f برروی منحنی به صفر می‌رسد و با افزایش بیش‌تر جریان مغناطیس‌کنندگی در جهت مثبت هسته در نقطه a به اشباع خواهد رسید.

منحنی H –B در مسیر a-b-c-d-e-f-a حرکت می‌کند درحالی‌که جریان مغناطیسی درون سیم‌پیچ بین یک مقدار مثبت و منفی همانند یک دوره ولتاژ AC تناوب دارد. این مسیر حلقه هیسترزیس مغناطیسی نامیده می‌شود.

تاثیر هیسترزیس مغناطیسی نشان می‌دهد که فرآیند مغناطیس‌کنندگی یک هسته فرومغناطیسی و درنتیجه چگالی شار به این بستگی دارد که کدام قسمت از منحنی هسته فرومغناطیس مغناطیسی می‌شود زیرا این وابستگی به مدارهای گذشته به هسته شکلی از «حافظه» می‌دهد. مواد فرومغناطیسی به دلیل مغناطیسی باقیمانده پس از حذف میدان مغناطیسی خارجی، حافظه دارند.

بااین‌حال، مواد فرومغناطیس نرم همانند آهن یا فولاد سیلیکونی حلقه‌های هیسترزیس مغناطیسی بسیار باریکی دارند که منجر به پسماند مغناطیسی بسیار کوچک می‌شوند و آنها را برای استفاده در رله‌ها، سلونوئیدها و ترانسفورماتورها ایده‌آل می‌سازد زیرا به آسانی مغناطیسی‌شده و غیر مغناطیسی می‌شوند.

برای غلبه بر پسماند مغناطیسی یک نیروی وادارنده مغناطیسی با بستن حلقه هیسترزیس باید اعمال شود، انرژی مورد استفاده در ماده مغناطیسی به صورت حرارت تلف می‌شود. این گرما به عنوان تلفات هیسترزیس شناخته می‌شود، مقدار تلفات به مقدار نیروی وادارنده مغناطیسی ماده بستگی دارد.

با افزودن برخی مواد مانند سیلیکون به فلز آهن، موادی با نیروی وادارنده مغناطیسی بسیار کوچک ساخته می‌شوند که حلقه هیسترزیس بسیار باریکی دارند. مواد با حلقه‌های هیسترزیس باریک به آسانی مغناطیسی و غیرمغناطیسی شده و  مواد مغناطیسی نرم نامیده می‌شوند.

حلقه‌های هیسترزیس مغناطیسی برای مواد مغناطیسی نرم و سخت

شکل ۴. هیسترزیس مواد سخت و نرم

هیسترزیس مغناطیسی منجر به پراکندگی انرژی تلف‌شده به شکل گرما می‌شود. مقدار این گرما متناسب با سطح حلقه هیسترزیس مغناطیسی است. از آنجایی‌که در ترانسفورماتورهای AC جهت جریان دائما تغییر می‌کند، تلفات هیسترزیس همواره وجود دارند.

سیم‌پیچ‌های دوار در ماشین‌های DC نیز تلفات هیسترزیس را وارد خواهند کرد زیرا در آنها قطب‌های مغناطیسی شمال و جنوب به‌طور متناوب تغییر می‌کنند. همان‌طورکه پیش‌تر بیان شد، شکل حلقه هیسترزیس به طبیعت آهن یا فولاد بکاربرده‌شده بستگی دارد و آهن در معرض وارونگی‌های مغناطیسی گسترده است، برای مثال در ترانسفورماتور با هسته‌ آهنی، مهم است که حلقه هیسترزیس B-H تا حد ممکن کوچک باشد.

 درمقاله بعدی در مورد الکترومغناطیس، به قانون فارادی القای الکترومغناطیسی خواهیم پرداخت و مشاهده خواهیم کرد که با حرکت یک رسانای سیمی درون میدان مغناطیسی ایستا یک جریان الکتریکی در رسانا القا می‌شود که یک مولد ساده را تولید می‌کند.