تلفات هیسترزیس چیست؟

تلفات هیسترزیس چیست؟ تأخیر در یک ماده مغناطیسی که معمولاً به عنوان هیسترزیس مغناطیسی معروف است، مربوط به خاصیت مغناطیسی ماده‌ای است که توسط آن ابتدا مغناطیسی می‌شود و سپس مغناطیس زدایی می‌شود.

می‌دانیم که شار مغناطیسی تولید شده توسط یک سیم پیچ الکترو مغناطیسی مقدار میدان مغناطیسی یا خطوط نیرو تولید شده درون یک ناحیه ارائه شده است و بیشتر معروف به “چگالی شار” است که دارای نماد B با واحد چگالی شار تسلا T است.

ما همچنین  می‌دانیم که قدرت مغناطیسی یک الکترومغناطیس به تعداد دورهای سیم پیچ، جریان جاری درون سیم پیچ یا نوع ماده هسته مورد استفاده بستگی دارد و اگر هم جریان یا تعداد دور را افزایش دهیم می‌توان قدرت میدان مغناطیسی با نماد H را افزایش داد.

نفوذپذیری نسبی با نماد μ به عنوان نسبت نفوذپذیری مطلق μ و نفوذپذیری فضای آزاد μ₀ (خلاء) تعریف شده و این به عنوان یک ثابت ارائه داده می‌شود.

اگرچه، رابطه بین چگالی شار B و قدرت میدان مغناطیسی H می‌تواند با توجه به این که نفوذپذیری نسبی، μ ثابت نیست بلکه تابعی از شدت میدان مغناطیسی است تعریف شود و بدین ترتیب چگالی شار مغناطیسی بصورت B = μ H ارائه می‌شود.

سپس چگالی شار مغناطیسی در ماده با توجه به نفوذپذیری نسبی آن برای ماده در مقایسه با چگالی شار مغناطیسی در خلا μ₀ H با یک عامل بزرگتر افزایش خواهد یافت و برای یک سیم پیچ با هسته هوا این رابطه بصورت زیر است:

بنابراین برای مواد فرومغناطیسی نسبت چگالی شار به قدرت میدان (B / H) ثابت نیست بلکه با چگالی شار تغییر می‌کند. اما، برای سیم پیچ هایی با هسته هوا یا هر هسته با کانال غیر مغناطیسی مانند چوب یا پلاستیک، این نسبت را می‌توان ثابت در نظر گرفت و این ثابت به عنوان μ₀، نفوذپذیری فضای آزاد شناخته شده است (μ₀ = 4.π.10^-7 H/m).

منحنی هیسترزیس مغناطیسی

با ترسیم مقادیر چگالی شار (B) در برابر قدرت میدان، (H) می توانیم مجموعه‌ای از منحنی‌ها به نام منحنی‌های مغناطیسی، منحنی‌های هیسترزیس مغناطیسی یا معمولاً منحنی‌های B-H را برای هر نوع ماده هسته که  استفاده می‌شود تولید کنیم که در زیر نشان داده شده است.

مغناطیس زایی یا منحنی B-H

مجموعه منحنی‌های مغناطیسی M در بالا نمونه‌ای از رابطه بین B و H را برای هسته‌های نرم آهنی و استیل نشان می‌دهد اما هر نوع ماده هسته مجموعه خاص خود را از منحنی‌های هیسترزی مغناطیسی خواهد داشت. ممکن است توجه داشته باشید که چگالی شار متناسب با قدرت میدان افزایش می‌یابد تا زمانی که به یک مقدار معین برسد، اگر نتواند با افزایش قدرت میدان افزایش یابد، ثابت می‌ماند.

دلیل این امر محدودیت در میزان چگالی شار است که می‌تواند توسط هسته ایجاد شود زیرا تمام حوزه‌های موجود در آهن کاملاً همراستا هستند. هرگونه افزایش بیشتر، تاثیری در مقدار M نخواهد داشت و نقطه‌ای روی نمودار وجود دارد که در آن چگالی شار به حد خود می‌رسد که آن اشباع مغناطیسی که همچنین به عنوان اشباع هسته  نامیده می‌شود است  و در مثال ساده ما در بالا نقطه اشباع منحنی استیل در حدود 3000 دور آمپر در هر متر شروع می‌شود.

اشباع اتفاق می‌افتد زیرا همانطور که از آموزش قبلی مغناطیس به یاد داریم که شامل تئوری وبر بود، آرایش تصادفی ساختار مولکول درون ماده هسته با “یک خط شدن” آهنرباهای مولکولی ریز درون ماده “روکش”  تغییر می‌کنند.

با افزایش قدرت میدان مغناطیسی (H) این آهنرباهای مولکولی بیشتر و بیشتر هم تراز می‌شوند تا اینکه به تراز کامل برسند و حداکثر چگالی شار ایجاد می‌شود و هرگونه افزایش در قدرت میدان مغناطیسی به دلیل افزایش جریان الکتریکی که درون سیم پیچ جریان می‌یابد کم خواهد بود یا هیچ تاثیری نخواهد داشت.

نیروی حفظ

بیایید فرض کنیم که ما یک سیم پیچ الکترومغناطیسی با قدرت میدان زیاد به دلیل شارش جریان در آن داریم، و اینکه ماده هسته فرومغناطیسی به نقطه اشباع خود یعنی حداکثر چگالی شار رسیده است. اگر اکنون سوئیچ را باز کرده و جریان مغناطیسی را که از طریق سیم پیچ جریان می‌یابد از بین ببریم، انتظار می‌رود که میدان مغناطیسی اطراف سیم پیچ با صفر شدن شار مغناطیسی از بین برود.

اگرچه، چگالی مغناطیس کاملا از بین نمی‌روند زیرا ماده هسته الکترو مغناطیسی همچنان مقداری از مغناطیس‌های خود را حتی هنگامی که شارش جریان درون سیم پیچ متوقف شده است، حفظ می کند. این توانایی برای یک سیم پیچ برای حفظ برخی از مغناطیس درون ماده بعد از فرایند مغناطیسی شدن متوقف شده است که حفظ استحکام یا پایداری نامیده می‌شود در حالی که مقدار چگالی شاری که هنوز در هسته می‌ماند مغناطیس باقیمانده B_R نامیده می‌شود.

دلیل این امر این است که برخی از آهن ریزهای مولکولی ریز به یک الگوی کاملاً تصادفی برنمی‌گردند و هنوز هم در جهت میدان مغناطیسی اصلی قرار می گیرند و به نوعی “حافظه” دارند. برخی از مواد فرومغناطیسی دارای مقاومت بالایی هستند (از نظر مغناطیسی سخت) و آنها را برای تولید آهنرباهای دائمی عالی می‌کند.

اگرچه سایر مواد فرومغناطیسی دارای مقاومت بالایی هستند (از نظر مغناطیسی نرم) و آنها را برای استفاده در الکترومغناطیس، سلنوئیدها یا رله ها ایده‌آل می کند. یکی از راه‌های کاهش این چگالی باقیمانده به صفر، معکوس کردن جهت شارش جریان درون سیم پیچ است و بدین ترتیب مقدار H، مقاومت مغناطیسی را منفی می‌کند. این اثر نیروی اجباری H_C نامیده می‌شود.

اگر این جریان معکوس بیشتر افزایش یابد، چگالی شار نیز در جهت معکوس افزایش می‌یابد تا اینکه هسته فرومغناطیسی در جهت عکس قبل دوباره به اشباع برسد. با کاهش جریان مغناطیسی، جریان یک بار دیگر به صفر می‌رسد که مقدار مشابهی از مغناطیس باقیمانده اما در جهت معکوس تولید خواهد کرد.

سپس با تغییر مداوم جهت جریان مغناطیسی درون سیم پیچ از جهت مثبت به جهت منفی، همانطور که در یک منبع تغذیه AC اتفاق می‌افتد، می‌توان یک حلقه هیسترزی مغناطیسی از هسته فرومغناطیسی تولید کرد.

حلقه هیسترزیس مغناطیسی

حلقه هیسترزیس مغناطیسی در بالا، رفتار یک هسته فرومغناطیسی را به صورت گرافیکی نشان می‌دهد زیرا رابطه بین B و H غیرخطی است. با شروع یک هسته بدون مغناطیس، هر دو B و H در صفر خواهند بود، نقطه 0 در منحنی مغناطیس.

اگر جریان مغناطیسی i در جهت مثبت تا مقداری افزایش یافته باشد، قدرت میدان مغناطیسی H به طور خطی با i افزایش می‌یابد و چگالی شار B نیز همانطور که توسط منحنی از نقطه 0 نشان داده می‌شود با حرکت به سمت اشباع  افزایش می‌یابد.

حال اگر جریان مغناطیسی در سیم پیچ به صفر کاهش یابد، میدان مغناطیسی که در اطراف هسته گردش می‌کند نیز به صفر می‌رسد. با این حال، شار مغناطیسی سیم پیچ به دلیل مغناطیسی باقیمانده موجود در هسته به صفر نمی‌رسد و این در منحنی از نقطه a تا نقطه b نشان داده می‌شود.

عملکرد حلقه هیسترزیس مغناطیسی

برای کاهش چگالی شار در نقطه b به صفر، باید جریان موجود در سیم پیچ را معکوس کنیم. نیروی مغناطیسی که باید برای خنثی کردن چگالی شار باقیمانده استفاده شود، “نیروی اجبار” نامیده می‌شود. این نیروی اجباری میدان مغناطیسی معکوس و آهنرباهای مولکولی را مجددا تنظیم می‌کند تا اینکه هسته در نقطه c بدون مغناطیس شود.

افزایش این جریان معکوس باعث می‌شود که هسته در جهت مخالف مغناطیسی شود و افزایش این جریان مغناطیس بیشتر باعث می‌شود که هسته به نقطه اشباع خود اما در جهت مخالف، نقطه d بر روی منحنی برسد. این نکته با نقطه b متقارن است. اگر جریان مغناطیسی دوباره به صفر کاهش یابد مغناطیس باقیمانده موجود در هسته برابر با مقدار قبلی اما معکوس با نقطه e خواهد بود.

دوباره برگشت جریان مغناطیسی که از این سیم پیچ در جریان است این بار به جهت مثبت منتهی می‌شود و باعث می‌شود شار مغناطیسی به صفر برسد، نقطه f بر روی منحنی و مانند قبل افزایش بیشتر جریان مغناطیسی در جهت مثبت باعث می‌شود هسته به اشباع در نقطه a برسد.

سپس منحنی B-H مسیر a-b-c-d-e-f-a را دنبال می کند زیرا جریان مغناطیسی که درون سیم پیچ جریان می‌یابد بین یک مقدار مثبت و منفی مانند چرخه ولتاژ AC جریان می‌یابد. این مسیر یک حلقه هیسترزی مغناطیسی نامیده می‌شود.

تأثیر هیسترزیس مغناطیسی نشان می‌دهد که فرآیند مغناطیسی یک هسته فرومغناطیسی و بنابراین چگالی شار بستگی به این دارد که کدام قسمت از منحنی هسته فرومغناطیسی مغناطیسی می‌شود زیرا این بستگی به تاریخچه گذشته مدارهای دارد که به هسته شکل “حافظه” می‌دهند. سپس مواد فرومغناطیسی حافظه دارند زیرا پس از برداشتن میدان مغناطیسی خارجی مغناطیسی می‌شوند.

با این حال، مواد فرومغناطیسی نرم مانند آهن یا استیل سیلیکون دارای حلقه‌های هیسترزیس مغناطیسی بسیار باریک هستند که منجر به مقدار بسیار کوچک مغناطیس باقیمانده  می‌شود که آنها را برای استفاده در رله ها، سلنوئیدها و ترانسفورماتورها ایده‌آل می‌کند زیرا می‌توانند به راحتی مغناطیسی و مغناطیس زدایی شوند.

از آنجایی که برای غلبه بر این مغناطیس باقیمانده باید یک نیروی اجبار اعمال شود، باید هدف در بستن حلقه هیسترزیس با استفاده از انرژی مصرف شده به عنوان گرما در ماده مغناطیسی انجام شود. این گرما به عنوان تلفات  هیسترزیس شناخته می‌شود، میزان تلفات به مقدار نیروی اجباری ماده بستگی دارد.

با افزودن مواد افزودنی به فلز آهن مانند سیلیکون، می‌توان موادی با نیروی اجباری بسیار کمی تهیه کرد که حلقه هیسترزیس بسیار باریک دارند. مواد با حلقه های باریک به راحتی مغناطیسی و مغناطیس زدایی می‌شوند و به عنوان مواد مغناطیسی نرم شناخته می‌شوند.

حلقه های هیسترزیس مغناطیسی برای مواد سخت و نرم

هیسترزیس مغناطیسی باعث از بین رفتن انرژی تلف شده به صورت گرما می‌شود که یکی از پایه های طراحی کوره القایی است.

انرژی تلف شده متناسب با مساحت حلقه هیسترزیس مغناطیسی است. تلفات هیسترزیس همیشه در هترانسفورماتورهای AC مشکل خواهند بود بطوریکه جریان در آن به طور مداوم در حال تغییر است و بنابراین قطب‌های مغناطیسی در هسته باعث ایجاد تلفاتی می‌شوند زیرا آنها دائما جهت را معکوس می‌کنند.

چرخش سیم پیچ ها در ماشین‌های DC همچنین به دلیل اینکه بطور متناوب از شمال قطب‌های مغناطیسی به جنوب آن ها عبور می‌کنند، دچار تلفات هیسترزیس خواهند شد. همانطور که قبلاً گفته شد، شکل حلقه هیسترزیس به ماهیت آهن یا فولاد مورد استفاده بستگی دارد و در مورد آهن که در معرض وارونگی‌های عظیم مغناطیس قرار می‌گیرد، به عنوان مثال هسته‌های ترانسفورماتور، مهم است که حلقه هیسترزیس B-H در حد امکان کوچک باشند