هیسترزیس مغناطیسی، الکتریکی و تغییر فاز جامد-مایع — به زبان ساده

پسماند یا «هیسترزیس» (Hysteresis)، پدیده‌ای است که وابستگی حالت فعلی یک سیستم به حالت‌های قبلی (مسیر تغییرات) آن را نمایش می‌دهد. این پدیده کاربردهای زیادی در حوزه‌های مختلفی نظیر فیزیک، شیمی، مهندسی، زیست‌شناسی و اقتصاد دارد. در این مقاله به معرفی مبانی و کاربردهای هیسترزیس مغناطیسی خواهیم پرداخت. در انتها، اشاره مختصری نیز به مفاهیم هیسترزیس الکتریکی و تغییر فاز جامد-مایع خواهیم داشت.

هیسترزیس مغناطیسی

اگر یک ماده فرو مغناطیس (مانند آهن) را در معرض میدان مغناطیسی خارجی قرار دهیم، حوزه‌های مغناطیسی ماده با راستای این میدان هم‌جهت می‌شوند. با حذف میدان مغناطیسی، بخشی از این جهت‌گیری بدون تغییر باقی می‌ماند و ماده برای مدت نامعلومی خاصیت مغناطیسی پیدا می‌کند.

فیلم آموزش مبانی مهندسی برق ۲ در فرادرس

کلیک کنید

به این پدیده، «هیسترزیس مغناطیسی» (Magnetic Hysteresis) گفته می‌شود. به منظور از بین بردن خاصیت مغناطیسی ماده می‌توان از افزایش حرارت یا اعمال یک میدان مغناطیسی در خلاف جهت‌گیری میدان قبلی استفاده کرد.

در مواد فرو مغناطیس، رابطه بین شدت میدان (H) و مغناطش (M) به صورت خطی نیست. در صورت خنثی کردن خاصیت مغناطیسی یک آهنربا (H=M=0) و رسم رابطه بین H و M برای سطوح افزایشی شدت میدان، مقادیر M از منحنی مغناطش اولیه پیروی خواهد کرد. این منحنی در ابتدا با سرعت زیادی افزایش می‌یابد و سپس به مجانبی با عنوان اشباع مغناطیسی نزدیک می‌شود.

اگر در این وضعیت، میدان مغناطیسی به صورت یکنواخت کاهش یابد، M مسیر منحنی دیگری را دنبال خواهد کرد. در شدت میدان صفر، فاصله مغناطش با مرکز مختصات بیانگر میزان «پسماند» (Remanence) خواهد بود. در صورتی که رابطه بین H و M برای تمام مقادیر شدت مغناطیسی حاصل از میدان مغناطیسی اعمال شده رسم شود، یک حلقه هیسترزیس به نام حلقه اصلی به دست می‌آید که عرض بخش مرکزی آن، دو برابر «وادارندگی» (Coercivity) ماده است.

در تصویر بالا، با توجه به شروع تغییرات در مبدأ مختصات، منحنیِ رو به بالا به عنوان منحنی مغناطش اولیه در نظر گرفته می‌شود. نقاط h_c و m_rs به ترتیب بیانگر وادارندگی و پسماند اشباع هستند.

فیلم آموزش الکترونیک 3 – مرور و حل مساله در فرادرس

کلیک کنید

با نگاه دقیق‌تر به منحنی مغناطش می‌توان مجموعه‌ای از جهش‌های کوچک با مقادیر تصادفی را مشاهده کرد (تصویر زیر). این ویژگی منحنی مغناطش با عنوان «اثر بارکهاوزن» (Barkhausen Effect) شناخته می‌شود که به دلیل وجود عیوب شبکه کریستالی نظیر نابجایی‌ها رخ می‌دهد.

حلقه‌های هیسترزیس مغناطیسی، تنها مختص به مواد دارای ساختار فرو مغناطیس نیستند. ساختارهای مغناطیسی دیگر نظیر ساختار «شیشه اسپینی» (Spin Glass) نیز چنین پدیده‌ای را از خود به نمایش می‌گذارند.

منشأ فیزیکی هیسترزیس مغناطیسی

پدیده هیسترزیس در مواد فرو مغناطیس، به دو دلیل الف) دَوَران مغناطش و ب) تغییر اندازه یا تعداد حوزه‌های مغناطیسی رخ می‌دهد. به طور کلی، مغناطش در راستای جهت‌گیری یک آهنربا تغییر می‌کند و به مقدار آن بستگی ندارد. با این وجود، در آهنرباهای نسبتاً کوچک این اتفاق رخ نمی‌دهد. در این‌گونه آهنرباهای اصطلاحاً تک حوزه‌ای، واکنش مغناطش به یک میدان مغناطیسی از طریق دَوَران ظاهر می‌شود. آهنرباهای تک حوزه‌ای در مواردی مورد استفاده قرار می‌گیرند که به یک مغناطش قوی و پایدار نیاز باشد (مانند دیسک مغناطیسی).

آهنرباهای بزرگ‌تر به نواحی کوچک‌تری تقسیم می‌شوند که به آن‌ها حوزه می‌گویند. در سراسر هر حوزه، تغییری در میزان مغناطش رخ نمی‌دهد. با این وجود، دیواره‌های مغناطیسی نسبتاً نازکی در فاصله بین حوزه‌ها وجود دارند که مغناطش در آن‌ها از راستای یک حوزه به راستای حوزه دیگر دوران می‌کند. در صورت تغییر میدان مغناطیسی، دیواره‌ها جابجا می‌شوند و اندازه نسبی حوزه‌ها را تغییر می‌دهند. به دلیل یکسان نبودن جهت‌گیری میدان مغناطیسی در تمام حوزه‌ها، گشتاور مغناطیسی بر واحد حجم در آهنرباهای چندحوزه‌ای کوچک‌تر از گشتاور مغناطیسی بر واحد حجم در آهنرباهای تک حوزه‌ای است. از آنجایی که تنها دوران بخش کوچکی از مغناطش در محدوده دیواره حوزه‌ها قرار می‌گیرد، تغییر گشتاور مغناطیسی در آهنرباهای بزرگ کار ساده‌تری خواهد بود. علاوه بر این، مغناطش با افزایش یا کاهش حوزه‌ها نیز قابل تغییر است.

مدل‌های هیسترزیس مغناطیسی

معروف‌ترین مدل‌های تجربی در زمینه مطالعه هیسترزیس، مدل‌های پریزاک و جیلز-آترتون هستند. موارد شاره شده امکان مدل‌سازی دقیق حلقه هیسترزیس را فراهم می‌کنند و به طور گسترده در صنایع مربوطه مورد استفاده قرار می‌گیرند. با این وجود، این مدل‌ها رابطه هیسترزیس با عوامل ترمودینامیکی را نادیده می‌گیرند و دستیابی به پایستگی انرژی را تضمین نمی‌کنند.

فیلم آموزش کنترل ماشین های الکتریکی و پیاده سازی در سیمولینک Simulink در فرادرس

کلیک کنید

جدیدترین مدل‌های ارائه شده برای هیسترزیس، بر اساس فرمول‌بندی‌های ترمودینامیکی توسعه یافته‌اند. به عنوان مثال، مدل «VINCH» از قوانین سخت‌شوندگی سینماتیکی و ترمودینامیک فرآیندهای برگشت‌ناپذیر الهام گرفته است. این مدل علاوه بر ارائه یک مدل‌سازی دقیق، مقادیر انرژی مغناطیسی ذخیره شده و انرژی اتلاف شده در هر زمان دلخواه را نیز مشخص می‌کند. فرمول‌بندی افزایشی به دست آمده در مدل VINCH دارای متغیرهای سازگار است (تمام متغیرهای داخلی از کمینه‌سازی پتانسیل ترمودینامیکی پیروی می‌کنند). با استفاده از این ویژگی می‌توان به سادگی یک مدل برداری را ایجاد کرد؛ در صورتی که مدل‌های پریزاک و جیلز-آترتون اسکالر هستند.

کاربردهای هیسترزیس مغناطیسی

پدیده هیسترزیس در مواد فرو مغناطیس کاربردهای بسیار متنوعی دارد. در بسیاری از موارد، قابلیت‌های این پدیده برای ذخیره حافظه‌های به کار رفته در وسایلی نظیر نوارهای مغناطیسی، هارد درایوها و کارت‌های اعتباری به کار گرفته می‌شوند. استفاده آهنرباهای سخت با وادارندگی بالا (مانند آهن) برای چنین کاربردهایی مناسب‌تر است؛ زیرا حافظه ایجاد شده بر روی این مواد به سادگی پاک نمی‌شود.

آهن دارای وادارندگی پایین (از نظر مغناطیسی نرم)، برای هسته آهنرباهای الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. وادارندگی پایین این مواد، میزان اتلاف انرژی مرتبط با پدیده هیسترزیس را کاهش می‌دهد. از این‌رو، به دلیل اتلاف کمتر انرژی در حلقه هیسترزیس، از آهن نرم در هسته‌های ترانسفورماتورها و موتورهای الکتریکی استفاده می‌شود.

هیسترزیس الکتریکی

پدیده هیسترزیس الکتریکی در مواد فرو الکتریک رخ می‌دهد. این پدیده را هنگامی می‌توان مشاهده کرد که حوزه‌های قطبش بخشی از قطبش کل را تشکیل داده باشند.

قطبش، نیرویی است که باعث قطبیت مولکول‌های ماده می‌شود (گشتاور دوقطبی الکتریکی). مکانیسم هیسترزیس الکتریکی شباهت زیادی به هیسترزیس مغناطیسی دارد.

تغییر فاز جامد-مایع

پدیده هیسترزیس در تغییر فازهایی که دمای ذوب و انجماد باهم مطابقت ندارند نیز قابل مشاهده است. به عنوان مثال، ماده آگار در دمای 85 درجه سانتی‌گراد ذوب و در دمایی بین 32 تا 40 درجه سانتی‌گراد منجمد می‌شود. باید اشاره کنیم که این ماده پس از ذوب شدن در دمای 85 درجه سانتی‌گراد، حالت مایع خود را با کاهش دما تا 40 درجه سانتی‌گراد حفظ می‌کند. بنابراین، حالت جامد یا مایع بودن آگار در فاصله بین 40 تا 85 درجه سانتی‌گراد به وضعیت قبلی آن بستگی دارد.

^^