التشبع المغناطيسي - Magnetic Saturation

ما هو التشبع المغناطيسي؟

إذا قمنا بزيادة (mmf) “وهي القوة الدافعة المغناطيسية” للمغناطيس، فستزداد أيضاً كثافة التدفق (flux density) داخل اللب. ما إذا كان هناك أي قيود على زيادة كثافة التدفق في قلب المغناطيس مع زيادة (mmf) المطبقة. هناك حد لا توجد بعده زيادة حادة في كثافة التدفق في النواة المغناطيسية حتى مع الزيادة الحادة في (mmf).

إذا لم يخرج هذا الحد، فسيكون من الممكن سحق تدفق ضخم في مقطع عرضي صغير جداً من المغناطيس والذي يمكن أن ينتج مغناطيساً قوياً جداً بحجم صغير جداً. هناك حد على الرغم من أنّ هذا الحد ليس حاداً جداً ولكنّه موجود. هذا الحد يسمّى “التشبع المغناطيسي”.

تعريف التشبع المغناطيسي:

“هي الوحدة التي بعدها لا تزيد كثافة التدفق المغناطيسي في منطقة مغناطيسية بشكل حاد مع زيادة (mmf)”.

تحصل المغناطيسات الدائمة على خواصها المغناطيسية فقط عندما يتم إنتاجها عن طريق تطبيق مجال مغناطيسي خارجي. هذا المجال المغناطيسي الخارجي، الذي تتعرض له المغناطيسات الناتجة، يجعلها تتماشى بشكل موحد مع مغناطيساتها الأوليّة الأصغر. فقط هذا التغيير في الجزء الداخلي للمغناطيس الدائم يسبب المغناطيسية الدائمة.

كلما كانت المغناطيسات الأولية أكثر انتظاماً، كلما كانت الخصائص المغناطيسية أقوى. في مرحلة ما من عملية المغنطة، يتم محاذاة جميع المغناطيسات الأوليّة الصغيرة. في هذه الحالة، يزيد المغناطيس الدائم من قوته المغناطيسية. لم يعد من الممكن زيادة التأثيرات المغناطيسية للمغناطيس الدائم، وبذلك يتحقق “التشبع المغناطيسي”.

شرح ظاهرة التشبع المغناطيسي:

لتوضيح ظاهرة التشبع المغناطيسي بشكل أفضل، يتم إدخال قلب حديدي في ملف، يمكن تغذيته بواسطة مصدر جهد متغير بتيار متغير. يشتمل التكوين التجريبي أيضاً على “مسبار هول” (Hall probe) يمكن من خلاله قياس كثافة التدفق المغناطيسي (B) بوحدة الـ (تسلا) على سطح قلب الحديد.

إذا تم تطبيق جهد كهربائي الآن على الملف، فإن تياراً بقيمة محددة للغاية يتدفق عبره. مع زيادة التيار، تزداد كثافة التدفق المغناطيسي القابلة للقياس في قلب الحديد. في بداية التجربة، عندما تكون شدة التيار لا تزال صغيرة، تؤدي مضاعفتها إلى زيادة تناسبية في كثافة التدفق المغناطيسي، لذلك يتضاعف أيضاً تقريباً.

إذا زاد التيار أكثر من ذلك، فإنّ منحنى كثافة التدفق المغناطيسي يتسطح أكثر فأكثر. قريباً جداً، تم الوصول إلى نقطة لا يمكن عندها قياس زيادة كثافة التدفق المغناطيسي أخيراً، حتى مع زيادة إضافية في شدة التيار. يتم الوصول إلى نقطة التشبع (BS) لللب الحديدي بكثافة تدفق مغناطيسي تقارب (1 – 2) تسلا. بصيغتها الفيزيائية، تقترب النفاذية النسبية (μ_r) من القيمة (1). تتكون النفاذية المغناطيسية (μ):

μ = μ₀ × μ_r

حيث:

μ_{0 –} ثابت المجال المغناطيسي للفراغ.

كلما اقتربت المغنطة من التشبع المغناطيسي، كلما زاد عدد الدورات الذرية المتوافقة مع موصلية المجال المغناطيسي التي تؤثر عليها. لا يمكن تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة مغناطيسية منخفضة الفاقد إلّا إذا كانت شدة المجال المغناطيسي للمجال المغناطيسي الخارجي صغيرة بقدر الإمكان.

لذلك، يجب أن يكون التيار الكهربائي صغيراً لتحقيق تحويل منخفض للطاقة من الطاقة الكهربائية إلى طاقة مغناطيسية. في حالة جميع المغناطيسات الدائمة، إذا تم تقليل شدة المجال المغناطيسي إلى 0 (بدون تغيير اتجاهها)، فإنّ المغناطيسية المتبقية تبقى.

التفسير الفيزيائي للمغنطة وتشبع المجال المغناطيسي:

تؤدي محاولة زيادة المغنطة بعد الوصول إلى التشبع المغناطيسي إلى السلوك التالي: تتصرف المادة كما لو أنّ المجال المغناطيسي الخارجي يزداد في الفراغ. يمكن ملاحظة المغنطة في هذا السياق، خاصة في المواد المغناطيسية: تزداد كثافة التدفق المغناطيسي بقوة بمجرد إدخال المادة المغناطيسية في مجال مغناطيسي خارجي. التفسير المادي لهذا هو دوران الإلكترون. تصطف هذه نفسها في المغناطيس الحديدي بعد المجال المغناطيسي المطبق خارجياً.

مع زيادة المغنطة، يصطف المزيد والمزيد مما يسمى باللحظات المغناطيسية (تأثير دوران الإلكترون) بالتوازي مع المجال المغناطيسي. تسمى هذه العملية أيضاً “الإستقطاب المغناطيسي”. بسبب المحاذاة نفسه، يتم تعزيز المجال الخارجي. يتعلق الأمر في هذه الحالة بزيادة قوية في كثافة التدفق المغناطيسي والمجال المغناطيسي بالقرب من المغناطيس الحديدي. فيزيائياً، هذه العملية تحدث فقط حتى تتم محاذاة جميع اللحظات المغناطيسية الموجودة.

بمجرد الانتهاء من ذلك، يتم الوصول إلى التشبع المغناطيسي. من الآن فصاعداً، لا يمكن زيادة تضخيم المجال المغناطيسي الخارجي للمغناطيس الحديدي، حتى إذا تم زيادته من الخارج. تتصرف كثافة تدفق هذا المجال من الآن فصاعداً كما لو أنّ المجال المغناطيسي يتم تضخيمه في الفراغ. لذلك لا يوجد تضخيم بواسطة المغناطيس الحديدي بدلاً من ذلك، بعد كل شيء، لا يمكن محاذاة المزيد من دوران الإلكترون.

ما هي العوامل المؤثرة على التشبع المغناطيسي؟

يؤدي التصميم الهيكلي للقلب الحديدي مع فراغ الهواء إلى تأخير تشبعه المغناطيسي. بهذه الطريقة، يتم تحقيق التأثير المطلوب، والذي يمكن من خلاله تقليل الخسائر المغناطيسية في قلب الحديد. في كل محول كجهاز مهم تقنياً، يتم تزويد النوى الحديدية بفراغات هوائية. تتكون المحولات من تمثيل مبسط لنواتان من الحديد وملفين، أحدهما به العديد من المنعطفات، والآخر به عدد أقل من المنعطفات. لذلك، يمكن تحويل جهد التيار المتردد مع تقليل التيار. وبالتالي فإنّ القدرة الكهربائية المراد نقلها تخضع لخسائر أقل.

التشبع المغناطيسي للحديد:

من المعروف لنا أنّ مقاومة الحديد قليلة جداً، إنّها أصغر بكثير من مقاومة الهواء. لكن هذا يعتبر صحيحاً عندما تكون كثافة التدفق المغناطيسي هي نواة حديدية أقل من حد معين. قد يكون هذا الحد من (1.6 إلى 1.8) تسلا اعتماداً على الفولاذ المغناطيسي أو الحديد المعني.

الآن إذا حاولنا العمل بكثافة تدفق أعلى من هذا الحد، فإنّ الحديد يُظهر تردداً أعلى مقارنةً بكثافة التدفق المنخفض. نتيجة لذلك، لا يتصرف الحديد أو الفولاذ المذكوران كموصل جيد للتدفق المغناطيسي. في هذه الحالة، هناك حاجة إلى مزيد من (mmf) “القوة الدافعة المغناطيسية” لدفع التدفق عبر نفس قلب الحديد. المزيد من (mmf) يعني المزيد من دوران الأمبير في حالة الكهرومغناطيسية، وبالتالي يجب تجنب هذا الموقف.

العلاقة بين التردد وكثافة التدفق:

في هذه العلاقة، يُرى أنّه عندما تكون كثافة التدفق ضمن الحد، تكون مقاومة المسار المغناطيسي منخفضة جداً ولكن عندما يعبر قيمة معينة مثلاً، فإنّ مقاومة المسار المغناطيسي نفسه تزداد بشكل حاد. نظراً لأنّ كثافة أي كمية مرتبطة بالحجم، فمن خلال زيادة المقطع العرضي (أي الحجم) للمسار المغناطيسي، يمكن للمرء تقليل كثافة التدفق الفعّال للمسار لنفس (mmf) المعطى.

لتجنب التأثير غير المرغوب فيه للتشبع المغناطيسي، يجب اختيار حجم اللب الحديدي بشكل مناسب لتطبيق هندسي معين. بشكل عام، يتم اختيار حجم النواة الحديدية أو الفولاذية للمسار المغناطيسي في الآلة بحيث لا تتجاوز كثافة تدفق النواة حد (1.5) تسلا في ظروف التشغيل العادية.

التشبع المغناطيسي في التكنولوجيا:

يؤدي التشبع المغناطيسي إلى العديد من العيوب في التطبيقات التقنية. مثال على ذلك هو المحولات. تقوم هذه بتحويل الجهد بناءً على مجال مغناطيسي متغير من خلال ملفين لهما نفس قلب الحديد. طالما أنّ التيار في الدائرة الأولية للمحول منخفض جدًا، فإنّ المحول يعمل بكفاءة عالية لأنّ المغنطة مع التيار تكون في النطاق النسبي. ومع ذلك، إذا أصبح التيار مرتفعاً جدًا، ستنخفض الكفاءة مع الوصول إلى نطاق مغنطة التشبع.

كما تنخفض كفاءة المحولات. يمكن للمرء مواجهة هذا التأثير عن طريق قطع فجوة هوائية في قلب الحديد. ثم يحدث التشبع المغناطيسي لاحقاً، لأنّ كثافة التدفق المغناطيسي تزداد بشكل أبطأ بعد كل شيء، المقاومة المغناطيسية لفجوة الهواء أعلى بكثير من تلك الموجودة في قلب الحديد. وهذا بدوره يزيد من الكفاءة. ومع ذلك، في معظم المحولات، يمكن الاستغناء عن فجوة الهواء هذه. والمثال المضاد هو ما يسمى بالمحولات عاليّة التيار. قد تكون معروفة في الفيزياء، عادة ما يحاول الفيزيائي صنع مسمار أو جسم معدني آخر يشبه القضيب يتوهج بتيار عالٍ.