الدائرة المغناطيسية - Magnetic circuit

ما هي الدائرة المغناطيسية؟

الدائرة المغناطيسية: هي المسار المغلق الذي فيه مجال مغناطيسي محصور على شكل خطوط تدفق مغناطيسي. على عكس الدائرة الكهربائية التي تتدفق من خلالها الشحنة الكهربائية، لا شيء يتدفق في الواقع في الدائرة المغناطيسية. في الدائرة المغناطيسية، يبدأ التدفق المغناطيسي أو خطوط القوة المغناطيسية من نقطة وتنتهي عند نفس النقطة بعد إكمال مسارها. يتم إنشاء التدفق بواسطة المغناطيس، ويمكن أن يكون مغناطيساً دائماً أو مغناطيساً كهربائياً.

تتكون أي دائرة مغناطيسية في الوضع الطبيعي من مواد مغناطيسية لها خصائص نفاذيّة عالية مثل الحديد والفولاذ اللين. تستخدم الدوائر المغناطيسية في أجهزة مختلفة في حياتنا اليومية مثل المحرك الكهربائي والمتناوبات (relays) والمحولات الكهربائية والمولدات الجلفانومتر وغيرها.

المجال المغناطيسي في المغناطيس الكهربائي:

في مغناطيس كهربائي على شكل حلقة به فجوة هوائية صغيرة، يكون المجال المغناطيسي أو التدفق محصوراً بالكامل تقريباً في اللب المعدني وفجوة الهواء، والتي تشكل معاً الدائرة المغناطيسية. في المحرك الكهربائي، يقتصر المجال المغناطيسي إلى حد كبير على قطع القطب المغناطيسي، والدوار، وفجوات الهواء بين الجزء المتحرك والقطب، والإطار المعدني.

يصنع كل خط مجال مغناطيسي حلقة كاملة غير منقطعة. تشكل جميع الخطوط معاً التدفق الكلي. إذا تم تقسيم التدفق، بحيث يقتصر ذلك الجزء منه على جزء من الجهاز وجزء إلى آخر، فإنّ الدائرة المغناطيسية تسمى متوازية. إذا كان التدفق كله محصوراً في حلقة مغلقة واحدة، كما هو الحال في المغناطيس الكهربائي على شكل حلقة، فإنّ الدائرة تسمى دائرة مغناطيسية متسلسلة.

نتيجة لذلك، يكون المجال المغناطيسي داخل قلب الحديد موحداً. لا يتم وضع خطوط القوة المغناطيسية أو خطوط التدفق المغناطيسي هذه عبر المجال الجوي بشكل متساوٍ في جميع النقاط، ولذلك، فإنّ المجال خارج القلب ليس موحداً. من أجل تسهيل تصميم وتحليل الدائرة المغناطيسية، من المرغوب إنتاج مجال موحد.

بدلاً من استخدام قلب حديدي مستقيم، إذا استخدمنا حلقة حديدية مقطوعة وموحدة، فمن الناحية المثالية، لن يكون هناك أي مجال لخطوط التدفق المغناطيسي للمرور عبر الهواء. نتيجة لذلك، يكون المجال المغناطيسي داخل النواة الحلقية منتظماً. يشار إلى هذا على أنّه دائرة مغناطيسية مغلقة تماماً.

القوة الدافعة المغناطيسية – mmf:

قياساً على الدائرة الكهربائية التي يرتبط فيها التيار والقوة الدافعة الكهربائية (الجهد) والمقاومة بقانون “أوم” (التيار يساوي القوة الدافعة الكهربائية مقسومة على المقاومة)، تم تطوير علاقة مماثلة لوصف الدائرة المغناطيسية. التدفق المغناطيسي مماثل للتيار الكهربائي. القوة الدافعة المغناطيسية (mmf)، مماثلة للقوة الدافعة الكهربائية ويمكن اعتبارها العامل الذي يؤسس التدفق.

(mmf) مكافئ لعدد من لفات الأسلاك التي تحمل تياراً كهربائياً ولها وحدات من دورات الأمبير. إذا زاد التيار من خلال ملف (كما في المغناطيس الكهربائي) أو عدد لفات السلك في الملف، فإنّ (mmf) أكبر، وإذا بقيت تضل الدائرة المغناطيسية كما هي، لذلك فإنّ التدفق المغناطيسي يزيد بشكل متناسب.

ممانعة الدائرة المغناطيسية – Reluctance:

إن ممانعة (reluctance) الدائرة المغناطيسية يماثل مقاومة الدائرة الكهربائية. يعتمد التردد على الخصائص الهندسية والمادية للدائرة التي تقدم معارضة لوجود التدفق المغناطيسي. إنّ ممانعة جزء معين من الدائرة المغناطيسية يتناسب مع طوله ويتناسب عكسياً مع مساحة المقطع العرضي والخصوصية المغناطيسية لمادة معينة تسمى نفاذيتها.

الحديد، على سبيل المثال، له نفاذيّة عالية للغاية مقارنة بالهواء بحيث يكون له تردد صغير نسبياً، أو أنّه يقدم مقاومة قليلة نسبياً لوجود التدفق المغناطيسي. في دارة مغناطيسية متسلسلة، يساوي إجمالي الممانعة مجموع الترددات الفردية التي تتم مواجهتها حول مسار التدفق المغلق. في الدائرة المغناطيسية باختصار، يكون التدفق المغناطيسي مساوياً كمياً للقوة الدافعة المغناطيسية مقسومة على التردد.

معادلة الدائرة المغناطيسية:

ضع في اعتبارك ملفاً لولبياً يحتوي على (N) يتحول إلى قلب حديدي. يتم إنشاء التدفق المغناطيسي لـ (ø Weber) في اللب عندما يتم تمرير تيار (I ampere) عبر ملف لولبي. لتكن:

l – متوسط طول الدائرة المغناطيسية.

A –  منطقة المقطع العرضي للقلب.

µ_r – النفاذية النسبية للقلب.

الآن،كثافة التدفق في المادة الأساسية هي:

B = Φ / a (Weber / m²)

القوة المغناطيسية في القلب (core):

H = B / µ_∘ µ_r 

H = Φ/ a µ_∘ µ_r     AT / m ( Ampere turns / meter )

وفقًا لقانون الشغل، فإنّ الشغل المبذول في تحريك قطب الوحدة مرة واحدة حول الدائرة المغناطيسية يساوي منعطفات الأمبير (ampere – turns) المحاطة بالدائرة المغناطيسية:

HL= NI 

H = (Φ/ a µ_∘ µ_r )× L 

H = NI

Φ = NI × (L / a µ_∘ µ_r )

هذه المعادلات توضح النقاط التالية:

• يتناسب طردياً مع عدد المنعطفات (N) والتيار (I).

• يوضح أنّ التدفق يزداد إذا زاد عدد المنعطفات أو التيار وينخفض عندما ينخفض أي من الكميتين. (NI) هي القوة الدافعة المغناطيسية (MMF).

• يتناسب عكسياً مع (l / a µ₀µ_r)، حيث يُعرف (l / a µ₀µ_r) بالتردد. كلما انخفض التردد، كلما ارتفع التدفق والعكس.