حلقه پسماند مغناطیسی یا هیسترزیس

اثرات مغناطیسی و الکترومغناطیسی، نقش مهمی در طراحی طیف گسترده‌ای از سیستم‌های الکتریکی و الکترونیکی ایفا می‌کنند. الکترومغناطیس در موتورها، ژنراتورها، ترانسفورماتورها، بلندگوها، رله‌ها، تجهیزات پزشکی و… کاربرد اساسی دارد. پاسخ و مشخصه بخش مغناطیسی و الکترومغناطیسی این سیستم‌ها، بر سطوح جریان و ولتاژ سیستم، بازده طراحی، اندازه سیستم و هر ویژگی مهم دیگر تاثیرگذار است .

پسماند مغناطیسی میزان خاصیت باقی مانده مواد فرو مغناطیسی بعد از اعمال میدان را به ما نشان می دهدکه به سخت یا نرم بودن ماده بستگی دارند. در ادامه انها را توضیح خواهیم داد این پسماند مغناطیسی نقش به سزایی در سیم پیچ های موتور و ترانس و در آهنرباها دارد.

حلقه هیسترزیس مغناطیسی در تصویر بالا، رفتار یک هسته فرومغناطیسی را به صورت رابطه B و H نشان می‌دهد و همانطور که در تصویر مشخص است این رفتار غیرخطی می باشد. اگر یک هسته مغناطیس‌نشده را در نظر داشته باشیم،‌ مقادیر B و H مربوط به آن، صفر خواهند بود که متناظر با نقطه 0 روی منحنی شکل بالا می باشد.با افزایش جریان مغناطیس‌شوندگی i در جهت مثبت، شدت میدان مغناطیسی H تا مقدار مشخصی به صورت خطی با i افزایش پیدامی کند و چگالی شار مغناطیسی B نیز از نقطه 0 تا نقطه a افزایش یافته و به سمت اشباع می‌رود.

حال اگر جریان مغناطیس‌شوندگی در هسته تا صفر کاهش پیدا کند، میدان مغناطیسی اطراف هسته نیز به صفر می‌رسد. هرچند، شار مغناطیسی سیم‌پیچ، به دلیل وجود پسماند مغناطیسی موجود در هسته به صفر نمی‌رسد. این مورد، در منحنی از نقطه a به نقطه b نشان داده می دهد.برای کم کردن چگالی شار مغناطیسی در نقطه b و رساندن آن به صفر، باید جریان عبوری از سیم‌پیچ را تعویض کنیم. نیروی مغناطیس کننده که برای صفر کردن چگالی شار باقیمانده به کار می‌رود، «نیروی مغناطیس زدا» یا وادارندگی می نامند. این نیروی مغناطیس زدا، میدان مغناطیسی را معکوس می‌کند. این موضوع باعث می‌شود جهت‌گیری آهنرباهای مولکولی در هسته، مجددا تصادفی بشوندتا جایی که هسته غیرمغناطیسی بشود. این مسئله در نقطه c نشان داده شده است.با افزایش جریان معکوس، هسته در خلاف جهت، مغناطیس می‌شود و افزایش بیشتر این جریان مغناطیس‌شوندگی باعث می‌شود هسته به نقطه اشباع خود در خلاف جهت برسد که این مسئله در نقطه d روی منحنی رخ می‌دهد.این نقطه نسبت به نقطه a روی منحنی متقارن می باشد. اگر جریان مغناطیس کننده دوباره به صفر کاهش برسد،‌ پسماند مغناطیسی موجود در هسته مقداری مانند قبل اما معکوس دارد که نقطه e در منحنی است.دوباره با معکوس کردن جریان مغناطیس کننده در سیم‌پیچ این بار در جهت مثبت، شار مغناطیسی به صفر می‌رسد که نقطه f روی منحنی است و مانند قبل،‌ با افزایش بیشتر جریان مغناطیس کننده در جهت مثبت، هسته به نقطه اشباع خود می‌رسد که روی منحنی با a نمایش داده شده است.بنابراین، همچنان که جریان در سیم‌پیچ بین مقادیر مثبت و منفی در تناوب است (مانند دوره تناوب ولتاژ AC)، منحنی‌های B-H مسیر a-b-c-d-e-f-a را طی می‌کنند. این مسیر به نام <<حلقه هیسترزیس (Magnetic>> Hysteresis Loop) )شناخته می‌شود. اثر پسماند مغناطیسی نشان می‌دهد که فرآیند مغناطیسی کردن یک هسته فرومغناطیس و چگالی شار مغناطیسی بستگی به این دارد که هسته فرومغناطیسی در کدام نقطه منحنی مغناطیسی شده است. بنابراین، مواد فرومغناطیس «حافظه‌دار» می‌شوند، زیرا حتی پس از حذف میدان مغناطیسی خارجی، هسته مغناطیده باقی می‌ماند.نیروی مغناطیس زدا برای غلبه بر این پسماند مغناطیسی (برای بستن حلقه هیسترزیس) به انرژی نیاز دارد. این انرژی، به صورت گرما در ماده مغناطیسی تلف می‌شود که «تلفات هیسترزیس» نام دارد و مقدار تلفات به مقدار نیروی مغناطیس زدای لازم برای ماده وابسته است.با افزودن ماده‌ای مانند سیلیکون به آهن،‌ فلزی با نیروی مغناطیس زدای کم ساخته می‌شود که حلقه هیسترزیس آن، باریک‌تر از آهن خالص است. مواد دارای حلقه هیسترزیس باریک، به آسانی مغناطیسی و غیر مغناطیسی شده و با نام «مواد مغناطیسی نرم» شناخته می‌شوند. از این ترکیب در ساخت ترانسفورماتور، رله و سلونوئید استفاده می‌شود زیرا حلقه باریک به این مورد اشاره دارد که در هر تناوب جریان، تلفات کمی در فرآیند مغناطیس وشار مغناطیس اش رخ می دهد.

مواد نرم وسخت:

مواد فرومغناطیس و فری‌مغناطیس به دو دسته مواد سخت و نرم تقسیم می‌شوند. مواد سخت مغناطیس، به موادی گفته می‌شود که به سختی مغناطیسی می‌شوند؛ یعنی برای ایجاد مغناطش در آن‌ها نیاز به اعمال میدان مغناطیسی قوی است. این مواد، همان‌گونه که به‌سختی مغناطیسی می‌شوند، خاصیت مغناطیسی خود را هم به‌سختی از دست می‌دهند. هم‌چنین، برای تغییر جهت میدان مغناطش در مواد سخت، نیاز به اعمال میدان مغناطیسی بسیار قوی وجود دارد. از این مواد به‌طور گسترده‌ای برای کاربردهایی استفاده می‌شود که نیاز به یک مغناطیسی دائمی وجود دارد. به‌عنوان مثال، مواد مغناطیسی سخت برای ساخت آهن‌رباهای دائمی مورد استفاده قرار می‌گیرند که کاربرد عمده آن‌ها در ساخت بلندگوها، موتورهای الکتریکی، حسگرها و غیره است. پارامتر کئورسیویتی (میدان پسماندزدا) در مواد مغناطیسی سخت، بیشترین مقدار را دارد. به‌طور کلی، هرچه مقدار این پارامتر بیشتر باشد، ماده مغناطیس سخت‌تر خواهد بود. در مواد مغناطیس سخت، حلقه هیسترزیس پهن‌تر بوده و پارامترهای M_R و H_c در آن‌ها زیاد است. برای دست‌یابی به ماده سخت مغناطیس، باید کئورسیویتی افزایش یابد. برای افزایش کئورسیویتی، باید مکانیزم چرخش غالب شود. به‌این منظور، باید ذرات سازنده ماده را به‌قدری ریز کرد که ذرات به‌صورت تک‌دامنه درآمده و دیواره نداشته باشند. البته، ابعاد تک‌دامنه شدن ماده، بستگی به نوع ماده دارد. درصورتی‌که ریز کردن ذرات ادامه یابد، کئورسیویتی مجدداً کاهش می‌یابد که در این حالت ماده خاصیت پارامگنت پیدا می‌کند. به این پدیده سوپرپارامغناطیس (Superparamagnetism) هم گفته می‌شود.

در سویی دیگر، مواد مغناطیسی نرم، موادی هستند که به‌راحتی مغناطیسی شده و به‌ همان راحتی خاصیت مغناطیسی خود را از دست می‌دهند. ویژگی دیگر این مواد، امکان تغییر آسان جهت مغناطش در آن‌ها است. از این مواد برای کاربرهای غیردائمی یا کاربردهایی که نیاز به تغییر مداوم جهت میدان وجود دارد، استفاده می‌شود. البته، امکان بهبود مشخصه‌های پسماند مواد مغناطیسی نرم با انجام عملیات حرارتی مناسب در حضور میدان خارجی وجود دارد. مقاومت ویژه الکتریکی، یکی از مهم‌ترین پارامترهایی است که باید در مواد مغناطیسی نرم مورد توجه قرار گیرد. علاوه بر انرژی اتلاف پسماند، امکان اتلاف انرژی از طریق جریان‌های الکتریکی القا شده در ماده مغناطیسی بر اثر میدان مغناطیسی متغیر با زمان وجود دارد. اتلاف انرژی ناشی از این جریان‌ها، به‌صورت گرمای ژول ظاهر شده و در فرکانس‌های بالا مقدار بسیار قابل‌توجهی دارند. بیشینه‌سازی مقدار مقاومت ویژه، یک راهکار برای کاهش اتلاف انرژی در مغناطیس‌های نرم، به‌شمار می‌رود. کاربردهای مغناطیس‌های نرم عبارتند از: ژنراتورها، موتورها، مبدل‌ها، آهن‌رباهای الکتریکی و جرثقیل‌ها. برای تولید یک ماده مغناطیسی نرم، باید نفوذپذیری بیشترین و کئورسیویتی کمترین مقدار را داشته باشند. به‌طور کلی، در کاربردهای مختلف مواد مغناطیس نرم و سخت، نیاز به بیشینه مقدار مغناطش اشباع وجود دارد. شکل زیر تفاوت بین منحنی‌های هیسترزیس مغناطیس‌های نرم و سخت را نشان می‌دهد.