كيفية رسم منحنى BH للمغناطيسات الفريتية: دليل شامل

1. مقدمة لمنحنى BH

منحنى BH، المعروف أيضًا بحلقة التخلف المغناطيسي، هو تمثيل بياني للعلاقة بين كثافة التدفق المغناطيسي (B) وشدة المجال المغناطيسي (H) في المواد المغناطيسية الحديدية. بالنسبة لمغناطيسات الفريت، يُعد هذا المنحنى أساسيًا لفهم خصائصها المغناطيسية، بما في ذلك المغناطيسية المتبقية (Br)، والإكراه المغناطيسي (Hc)، والإكراه المغناطيسي الذاتي (Hci)، وأقصى ناتج طاقة (BHmax). تحدد هذه المعايير أداء المغناطيس في تطبيقات مثل المحركات والمولدات ومكبرات الصوت.

2. المفاهيم الأساسية

قبل رسم منحنى BH، من الضروري فهم المصطلحات الرئيسية:

• كثافة التدفق المغناطيسي (B) : يتم قياسها بالتسلا (T) أو الجاوس (G)، وهي تمثل المجال المغناطيسي المتولد داخل المادة.
• قوة المجال المغناطيسي (H) : يتم قياسها بالأمبير لكل متر (A/m) أو أورستد (Oe)، وهي المجال المغناطيسي الخارجي المطبق على المادة.
• التمغنط المتبقي (Br) : كثافة التدفق المغناطيسي المتبقي في المغناطيس بعد إزالة المجال الخارجي.
• الإكراه (Hc) : المجال الخارجي المطلوب لتقليل المغناطيسية المتبقية إلى الصفر.
• الإكراه الذاتي (Hci) : مقياس لمقاومة المغناطيس لإزالة المغناطيسية، وغالبًا ما يكون أعلى من Hc.
• أقصى ناتج طاقة (BHmax) : النقطة الموجودة على منحنى إزالة المغناطيسية حيث يكون ناتج B و H (القيم المطلقة) في أقصى حد، مما يشير إلى سعة تخزين الطاقة للمغناطيس.

3. المعدات المطلوبة

لرسم منحنى BH، يلزم توفر المعدات التالية:

• جهاز قياس النفاذية المغناطيسية : جهاز يستخدم لقياس الخصائص المغناطيسية للمواد. ويتكون عادةً من مغنطة تيار مستمر، ومقياس تدفق مغناطيسي، وملف بحث.
• مغنطة التيار المستمر : تولد مجالًا مغناطيسيًا قويًا ومتحكمًا فيه لمغنطة العينة.
• مقياس التدفق المغناطيسي : يقيس التدفق المغناطيسي المرتبط بملف البحث، والذي يتناسب مع B.
• ملف البحث : ملف ملفوف حول العينة للكشف عن التغيرات في التدفق المغناطيسي.
• أدوات تحضير العينات : لتشكيل مغناطيس الفريت بشكل دقيق (عادةً مكعب أو أسطوانة) لإجراء قياسات متسقة.
• برنامج جمع البيانات : لتسجيل ومعالجة قيم B و H أثناء الاختبار.

4. تحضير العينة

تعتمد دقة منحنى BH على أبعاد العينة ومحاذاتها. اتبع الخطوات التالية:

1. اختر المادة : اختر مغناطيسًا من الفريت ذو تركيبة معروفة (على سبيل المثال، SrO أو BaO-Fe2O3).
2. تشكيل العينة : قص المغناطيس إلى شكل هندسي دقيق (مثل مكعب أو أسطوانة) لضمان خصائص مغناطيسية موحدة.
3. محاذاة اتجاه التمغنط : بالنسبة للمغناطيسات الفريتية غير المتناحية، يجب محاذاة محور التمغنط السهل للعينة مع اتجاه المجال المطبق. أما المغناطيسات المتناحية فلا تتطلب محاذاة.
4. تنظيف العينة : قم بإزالة أي ملوثات أو نتوءات قد تؤثر على القياسات المغناطيسية.

5. الإعداد التجريبي

قم بإعداد جهاز قياس النفاذية على النحو التالي:

1. تركيب العينة : ضع العينة المصنعة بين قطعتي القطب المغناطيسي للتيار المستمر لإنشاء دائرة مغناطيسية مغلقة.
2. لف ملف البحث : لف ملف البحث بإحكام حول العينة، مع ضمان اتصال كهربائي جيد وتقليل تسرب التدفق إلى الحد الأدنى.
3. قم بتوصيل مقياس التدفق : قم بتوصيل ملف البحث بمقياس التدفق لقياس الجهد المستحث، والذي يتناسب مع معدل تغير التدفق المغناطيسي (dB/dt).
4. معايرة النظام : قم بتصفير مقياس التدفق وتأكد من أن مغنطة التيار المستمر تعمل بشكل صحيح.

6. إجراءات جمع البيانات

اتبع هذه الخطوات لجمع بيانات BH:

1. إزالة المغناطيسية الأولية : يتم تطبيق مجال مغناطيسي متناوب على العينة لتقليل مغناطيسيتها المتبقية إلى ما يقارب الصفر. وهذا يضمن نقطة بداية ثابتة للاختبار.
2. دورة المغنطة:
   • الربع الأول (التشبع) : قم بزيادة المجال المغناطيسي المستمر (H) تدريجيًا من الصفر إلى قيمة كافية لتشبع المغناطيس (أي، لا يعود B يزداد مع H). سجل قيم B وH على فترات منتظمة.
   • الربع الثاني (إزالة المغنطة) : قلل قيمة H من التشبع إلى الصفر، ثم اعكس المجال إلى قيمة سالبة. استمر في تقليل H حتى تتم إزالة مغنطة المغناطيس تمامًا في الاتجاه المعاكس. سجل قيم B وH طوال هذه العملية.
   • الربعان الثالث والرابع (التشبع العكسي وإعادة التمغنط) : كرر العملية في الاتجاه المعاكس لإكمال حلقة التخلف المغناطيسي.
3. تسجيل البيانات : استخدم برنامج جمع البيانات لتسجيل قيم B و H بشكل مستمر أو على فترات منفصلة خلال الدورة بأكملها.

7. معالجة البيانات ورسم المنحنيات

بعد جمع البيانات، قم بمعالجتها على النحو التالي:

1. تنعيم البيانات : تطبيق خوارزميات التنعيم (مثل المتوسط ​​المتحرك) لتقليل التشويش في قياسات الثقوب السوداء.
2. قم بتطبيع البيانات : قم بتغيير مقياس قيم B و H إلى وحدات مناسبة (على سبيل المثال، تسلا لـ B و A/m لـ H).
3. ارسم حلقة التخلف المغناطيسي : استخدم برنامج رسم بياني (مثل Excel أو MATLAB أو Origin) لرسم B مقابل H. يجب أن يشبه المنحنى الناتج حلقة مغلقة، مع تمثيل الربع الثاني لمنحنى إزالة المغناطيسية.
4. تحديد المعايير الرئيسية:
   • التمغنط المتبقي (Br) : قيمة B عند H = 0 في الربع الثاني.
   • الإكراه (Hc) : قيمة H عند B = 0 على المحور H السالب.
   • الإكراه الذاتي (Hci) : قيمة H عند "ركبة" منحنى إزالة المغناطيسية، حيث يبدأ B في الانخفاض بسرعة.
   • أقصى ناتج طاقة (BHmax) : هي النقطة على منحنى إزالة المغنطة حيث يكون ناتج B و H (القيم المطلقة) في أعلى قيمة له. ويمكن حساب ذلك كالتالي: BHmax = |B| × |H| عند نقطة الذروة.

8. العوامل المؤثرة على منحنى BH

هناك عدة عوامل يمكن أن تؤثر على شكل وموقع منحنى BH للمغناطيسات الفريتية:

• التركيب المادي : يؤثر نوع ونسبة الأكاسيد (مثل SrO و BaO و Fe2O3) على قوة الإكراه المغناطيسي والمغناطيسية المتبقية.
• درجة الحرارة : تتغير الخصائص المغناطيسية بتغير درجة الحرارة. على سبيل المثال، تنخفض الإكراهية عادةً مع ارتفاع درجة الحرارة.
• هندسة العينة : يمكن أن يؤثر شكل وحجم العينة على مجال إزالة المغناطيسية، مما يؤدي إلى تغيير منحنى BH.
• اتجاه التمغنط : تُظهر المغناطيسات غير المتناحية منحنيات BH مختلفة اعتمادًا على محاذاة اتجاه التمغنط مع المجال المطبق.
• المجالات الخارجية : قد تؤدي المجالات المغناطيسية المتداخلة أثناء الاختبار إلى تشويه منحنى BH. لذا، يجب ضمان بيئة مضبوطة لتقليل التداخل.

9. تطبيقات منحنى BH

يُعد منحنى BH أداة قيّمة للمهندسين والعلماء في مختلف المجالات:

• اختيار المغناطيس : يستخدم المهندسون منحنى BH لاختيار المغناطيس المناسب لتطبيق معين بناءً على خصائصه المغناطيسية.
• تصميم المحركات والمولدات : يساعد المنحنى في تحسين تصميم الدوائر المغناطيسية لزيادة الكفاءة والأداء إلى أقصى حد.
• مراقبة الجودة : يستخدم المصنعون منحنيات BH للتحقق من اتساق وجودة دفعات المغناطيس.
• البحث والتطوير : يدرس العلماء منحنيات BH للمواد الجديدة لتطوير أنظمة مغناطيسية متقدمة ذات خصائص محسنة.

10. اعتبارات متقدمة

بالنسبة للتطبيقات الأكثر تعقيدًا، ضع في اعتبارك ما يلي:

• منحنيات BH المعتمدة على درجة الحرارة : ارسم منحنيات BH عند درجات حرارة مختلفة لفهم كيفية تغير خصائص المغناطيس مع الظروف الحرارية.
• منحنيات BH الديناميكية : قياس استجابة BH تحت تأثير المجالات المغناطيسية المتناوبة لدراسة خسائر التيار الدوامي وخسائر التخلف المغناطيسي.
• النمذجة العددية : استخدام برنامج تحليل العناصر المحدودة (FEA) لمحاكاة سلوك BH للأنظمة المغناطيسية المعقدة، والتحقق من صحة النتائج باستخدام البيانات التجريبية.