النفاذية المغناطيسية - Magnetic Permeability

ما هي النفاذية المغناطيسية؟

يشار إلى النفاذية المغناطيسية أيضاً باسم النفاذية في الكهرومغناطيسية وهي خاصية للمادة المغناطيسية التي تدعم تكوين المجال المغناطيسي. صاغ المصطلح “أوليفر هيفيسايد” في عام 1885م. النفاذية المغناطيسية هي خاصية تسمح أساساً لخطوط القوة المغناطيسية بالمرور عبر المادة.

بعبارة أخرى ، يمكن أيضاً القول أن النفاذية المغناطيسية للمادة هي قدرتها على المغنطة. هذا يساعد في تحديد مقدار التدفق المغناطيسي الذي يمكن أن يمر به الدعم المادي. النفاذية المغناطيسية هي خاصية فيزيائية تشخيصية تميز درجة المغناطيسية المستحثة التي تتعرض لها المادة تحت تأثير المجال المغناطيسي الخارجي.

النفاذية المغناطيسية ذات صلة بمجموعة متنوعة من المسوحات الجيوفيزيائية، بما في ذلك: مجال التردد ((EM (FDEM)، المجال الزمني ((EM (TDEM)، الذخائر غير المنفجرة (UXO) ورادار اختراق الأرض (GPR).

تعريف النفاذية المغناطيسية:

تُعرَّف النفاذية المغناطيسية بأنّها نسبة الحث المغناطيسي إلى الشدة المغناطيسية. إنّها كمية عددية ويُشار إليها بالرمز (μ). تساعدنا النفاذية المغناطيسية في قياس مقاومة المادة للمجال المغناطيسي أو قياس الدرجة التي يمكن أن يخترقها المجال المغناطيسي عبر المادة. إذا كانت المادة ذات نفاذية مغناطيسية أكبر، فستكون الموصلية أكبر لخطوط القوة المغناطيسية.

ما هي العوامل المؤثرة في النفاذية المغناطيسية؟

تعتمد النفاذية أيضاً على عدة عوامل مثل طبيعة المادة والرطوبة والموضع في الوسط ودرجة الحرارة وتكرار القوة المطبقة. تكون النفاذية المغناطيسية إيجابية دائماً ويمكن أن تختلف باختلاف المجال المغناطيسي. وفي الوقت نفسه، فإنّ عكس النفاذية المغناطيسية هو الممانعة المغناطيسية.

صيغة النفاذية المغناطيسية:

يتم إعطاء صيغة النفاذية المغناطيسية على النحو التالي:

النفاذية المغناطيسية:

μ = B/H

حيث:

B –  الشدة المغناطيسية.

H – المجال المغناطيسي.

وحدة (SI) للنفاذية المغناطيسية هي هنري لكل متر (H / m) أو نيوتن لكل أمبير مربع (N⋅A²).

أنواع النفاذية المغناطيسية:

نفاذية الفضاء الحر أو الفراغ – Permeability of Free Space:

يتم تمثيل نفاذية المساحة الحرة المعروفة أيضاً باسم نفاذية الهواء أو الفراغ بواسطة (μ₀ = B₀ / H). نسبة الشدة المغناطيسية في الفراغ والمجال المغناطيسي.

النفاذية المتوسطة – Permeability of Medium:

نسبة الشدة المغناطيسية في المجال المتوسط والمغناطيسي، يتم التعبير عنها كـالتالي:

μ = B / H

النفاذية النسبية – Relative Permeability:

النفاذية النسبية هي كمية بلا أبعاد. إنّها نسبة كميتين لهما نفس الوحدات، لذا فإنّ النفاذية النسبية ليس لها وحدة. النفاذية النسبية للمساحة الحرة هي (1). يتم التعبير عنها على النحو التالي:

μ_r = μ / μ_m

النفاذية النسبية = (عدد خطوط الحث المغناطيسي لكل وحدة مساحة في مادة ما) / (عدد الخطوط لكل وحدة مساحة في الفراغ).

أنواع مواد النفاذية المغناطيسية:

المواد غير المغناطيسية – Diamagnetic materials:

وهي المواد ذات النفاذية المغناطيسية القليلة، لها نفاذية نسبية ثابتة أقل بقليل من (1)، وهذا هو السبب في انخفاض كثافة التدفق المغناطيسي داخل المواد المغناطيسية بشكل طفيف. يتم صد المواد (Diamagnetic) بشكل ضعيف في المجالات المغناطيسية الخارجية.

المواد ذات النطاقات المغناطيسية هي تلك المواد الممغنطة بحرية عند وضعها في المجال المغناطيسي. ومع ذلك، فإنّ المغنطة في الاتجاه المعاكس لاتجاه المجال المغناطيسي. تُعرف المغناطيسية التي تظهرها هذه المواد باسم النفاذية المغناطيسية. يمكننا أن نتعامل مع المواد غير المغناطيسية في حياتنا اليومية إذا فكرنا في المواد غير المغناطيسية والتي تشمل الخشب والماء وبعض البلاستيك وبعض المعادن كذلك.

بعبارات بسيطة، المواد غير المغناطيسية هي مواد عادة ما يتم صدها بواسطة مجال مغناطيسي. تدور الإلكترونات في الذرة حول النواة وبالتالي تمتلك الزخم الزاوي المداري. الزخم المغناطيسي الناتج في ذرة المادة الغير مغناطيسية هو صفر. في المواد الغير مغناطيسية، لا توجد ثنائيات أقطاب ذرية بسبب الاقتران بين الإلكترونات.

عندما يتم تطبيق مجال مغناطيسي خارجي، يتم إحداث ثنائيات أقطاب في المواد المغناطيسية بطريقة تجعل ثنائيات الأقطاب المستحثة تعارض المجال المغناطيسي الخارجي وفقاً “لقانون لينز“. وهكذا، فإنّ جميع المواد التي تحتوي ذراتها على إلكترونات مقترنة تظهر خصائص نفاذية مغناطيسية قليلة.

المواد البارامغناطيسية – Paramagnetic Materials:

المواد البارامغناطيسية لها نفاذية نسبية ثابتة أكبر بقليل من (1)، ولهذا السبب عندما توضع مادة مغناطيسية في مجال خارجي، فإنّها تصبح ممغنطة بشكل ضعيف في اتجاه المجال المغناطيسي. مثال عليها البلاتين. المواد البارامغناطيسية هي مواد تميل إلى أن تصبح ممغنطة بشكل ضعيف في اتجاه المجال المغناطيسي عند وضعها في مجال مغناطيسي.

المواد البارامغناطيسية لها عزم ثنائي القطب دائم أو عزم مغناطيسي دائم. ومع ذلك، إذا أزلنا الحقل المطبق، فإنّ المواد تميل إلى فقد مغناطيسيتها. وذلك لأنّ الحركة الحرارية تبعثر اتجاهات الدوران للإلكترونات.

تحتوي المواد البارامغناطيسية على بعض الإلكترونات غير المزاوجة بسبب هذه الإلكترونات غير المزاوجة، فإنّ صافي العزم المغناطيسي لجميع الإلكترونات في الذرة لا يضاف إلى الصفر. ومن ثم يوجد ثنائي القطب الذري في هذه الحالة.

عند تطبيق المجال المغناطيسي الخارجي، يتحاذى ثنائي القطب الذري في اتجاه المجال المغناطيسي الخارجي المطبق. بهذه الطريقة، تكون المواد المغناطيسية ممغنطة بشكل ضعيف في اتجاه المجال الممغنط.

بكلمات بسيطة، يمكننا القول أنّ هذه المواد عادةً ما تعاني من انجذاب ضعيف للمغناطيس. يُعرف هذا النوع من المغناطيسية باسم البارامغناطيسية. يحدث هذا بشكل أساسي بسبب وجود إلكترونات غير متزاوجة في المادة أو بسبب المحاذاة الجزئية لثنائي القطب الذري ذي الاتجاه العشوائي على طول الحقل. يمكن أن تكون البارامغناطيسية من نوعين:

• في النوع الأول: توجد اللحظات المغناطيسية بتركيزات منخفضة مما يؤدي إلى فصلها عن بعضها البعض. كما أنّ دورانهم لا يتفاعل.

• في النوع الثاني: تحدث البارامغناطيسية بسبب التفاعلات بين العزم المغناطيسي. في هذه الحالة، التفاعلات ضعيفة جداً، لذلك، لا يوجد مغنطة صافية عندما يكون الحقل المطبق صفراً.

المواد المغناطيسية – Ferromagnetic Materials:

المواد المغناطيسية لا تتمتع بنفاذية نسبية ثابتة، الحديد النقي والعديد من السبائك لها نفاذية نسبية أكبر من (100000)، حيث يزيد مجال المغنطة من النفاذية النسبية. هذا هو السبب في أنّ المواد المغناطيسية لها أقوى الخصائص المغناطيسية. هناك أنواع مختلفة من المواد المغناطيسية، ومن بينها المغناطيسية الحديدية هي أقوى أنواعها.

المواد المغناطيسية الحديدية هي تلك المواد التي تظهر صافي مغنطة تلقائية على المستوى الذري، حتى في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي خارجي. عند وضعها في مجال مغناطيسي خارجي، فإنّ المواد المغناطيسية (ferromagnetic) تكون ممغنطة بقوة في اتجاه المجال.

المواد المغناطيسية تنجذب بقوة إلى المغناطيس. ستحتفظ هذه المواد بمغناطيستها لبعض الوقت حتى بعد إزالة مجال المغناطيس الخارجي. هذه الخاصية تسمى “التخلفية” (hysteresis) أو التباطؤ المغناطيسي.

اشتق اسم المغناطيسية الحديدية من كلمة “حديدية” والتي تعني الحديد الذي كان أول معدن معروف بإظهار خصائص جذابة للمجالات المغناطيسية. المغناطيسية الحديدية هي سلوك مغناطيسي فريد يتم عرضه بواسطة مواد معينة مثل الحديد والكوبالت والسبائك وما إلى ذلك. إنّها ظاهرة حيث تحصل هذه المواد على مغناطيسية دائمة أو تكتسب قوى جذب.

توصف أيضاً بأنّها عملية تجذب فيها بعض المواد غير المشحونة كهربائياً بعضها البعض بقوة. المغناطيسية الحديدية هي خاصية لا تأخذ في الاعتبار التركيب الكيميائي للمادة فحسب، بل تأخذ أيضاً في الاعتبار البنية المجهرية والهيكل البلوري.