منحنی حلقه هیسترزیس

۱. مقدمه

مواد مغناطیسی در فناوری مدرن، از آهنرباهای ساده یخچال گرفته تا اجزای پیچیده در ماشین‌های الکتریکی و دستگاه‌های ذخیره‌سازی داده، همه جا حضور دارند. درک خواص مغناطیسی این مواد برای بهینه‌سازی عملکرد آنها ضروری است. یکی از جنبه‌های کلیدی رفتار مغناطیسی، هیسترزیس است که به تأخیر القای مغناطیسی (B) نسبت به نیروی مغناطیسی (H) هنگامی که یک ماده مغناطیسی در معرض یک میدان مغناطیسی چرخه‌ای قرار می‌گیرد، اشاره دارد. منحنی حلقه هیسترزیس نمایش گرافیکی این رابطه بین B و H است و اطلاعات زیادی در مورد ویژگی‌های مغناطیسی ماده ارائه می‌دهد.

۲. مفاهیم اساسی مغناطیس

۲.۱ میدان مغناطیسی و نیروی مغناطیسی (H)

میدان مغناطیسی ناحیه‌ای در فضا است که در آن نیروی مغناطیسی می‌تواند بر یک جسم مغناطیسی اعمال شود. نیروی مغناطیسی، که با H نشان داده می‌شود، معیاری از شدت میدان مغناطیسی است. این نیرو به صورت نیروی وارد بر واحد طول بر یک قطب مغناطیسی قرار گرفته در میدان تعریف می‌شود. واحد H آمپر بر متر (A/m) است. در یک سلونوئید، نیروی مغناطیسی را می‌توان با استفاده از فرمول H = nI/l محاسبه کرد، که در آن n تعداد دور در واحد طول، I جریان عبوری از سلونوئید و l طول سلونوئید است.

۲.۲ القای مغناطیسی (ب)

القای مغناطیسی، که به عنوان چگالی شار مغناطیسی نیز شناخته می‌شود، معیاری از مقدار شار مغناطیسی عبوری از واحد سطح عمود بر جهت میدان مغناطیسی است. این مقدار با نیروی مغناطیس‌کنندگی H با معادله B = μH مرتبط است، که در آن μ نفوذپذیری ماده است. نفوذپذیری معیاری از میزان سهولت مغناطیسی شدن یک ماده است. واحد B تسلا (T) است، که در آن 1 T = 1 Wb/m² (وبر بر متر مربع) است.

۲.۳ دامنه‌های مغناطیسی

در یک ماده مغناطیسی، اتم‌ها یا مولکول‌ها گشتاورهای مغناطیسی کوچکی دارند. این گشتاورهای مغناطیسی در مناطقی به نام حوزه‌های مغناطیسی گروه‌بندی می‌شوند. در یک ماده غیرمغناطیسی، حوزه‌های مغناطیسی به صورت تصادفی جهت‌گیری شده‌اند، بنابراین اثر مغناطیسی خالص آنها خنثی می‌شود. هنگامی که یک نیروی مغناطیسی اعمال می‌شود، حوزه‌های مغناطیسی شروع به هم‌ترازی در جهت میدان می‌کنند و در نتیجه یک القای مغناطیسی خالص در ماده ایجاد می‌شود.

۳. رسم منحنی حلقه هیسترزیس

۳.۱ منحنی مغناطیسی اولیه

وقتی یک ماده مغناطیسی که قبلاً مغناطیسی نشده است، تحت نیروی مغناطیسی فزاینده H قرار می‌گیرد، القای مغناطیسی B نیز افزایش می‌یابد، اما نه به صورت خطی. در ابتدا، افزایش B نسبتاً کند است زیرا حوزه‌های مغناطیسی شروع به چرخش و همسو شدن با میدان می‌کنند. با افزایش H، حوزه‌های بیشتر و بیشتری همسو می‌شوند و B با سرعت بیشتری افزایش می‌یابد. در نهایت، ماده به حالت اشباع می‌رسد، که در آن افزایش بیشتر H منجر به افزایش قابل توجه B نمی‌شود. این منحنی که رابطه بین B و H را در طول فرآیند مغناطیسی شدن اولیه نشان می‌دهد، منحنی مغناطیسی شدن اولیه نامیده می‌شود.

۳.۲ ماندگاری

هنگامی که ماده به اشباع می‌رسد، اگر نیروی مغناطیسی H به تدریج به صفر کاهش یابد، القای مغناطیسی B به صفر برنمی‌گردد. در عوض، مقدار مشخصی را حفظ می‌کند که به عنوان القای مغناطیسی پسماند یا پسماند (Br) شناخته می‌شود. دلیل این امر این است که برخی از حوزه‌های مغناطیسی حتی پس از حذف نیروی مغناطیسی خارجی، در یک راستا باقی می‌مانند.

۳.۳ وادارندگی

برای کاهش القای مغناطیسی B به صفر، باید یک نیروی مغناطیسی مخالف، به نام نیروی وادارندگی (Hc)، اعمال شود. وادارندگی معیاری از مقاومت ماده در برابر مغناطیس‌زدایی است. موادی با وادارندگی بالا به سختی مغناطیس‌زدایی می‌شوند و به عنوان مواد مغناطیسی سخت شناخته می‌شوند، در حالی که موادی با وادارندگی پایین به راحتی مغناطیس‌زدایی می‌شوند و به عنوان مواد مغناطیسی نرم شناخته می‌شوند.

۳.۴ اشباع معکوس

اگر نیروی مغناطیسی مخالف بیشتر افزایش یابد، ماده به حالت اشباع معکوس می‌رسد، که در آن حوزه‌های مغناطیسی در جهت مخالف هم‌تراز می‌شوند. در این صورت، القای مغناطیسی B مقداری منفی خواهد داشت که از نظر بزرگی با مقدار اشباع مثبت برابر است.

۳.۵ تکمیل حلقه

وقتی نیروی مغناطیسی دوباره به صفر کاهش یافته و دوباره در جهت اصلی افزایش می‌یابد، القای مغناطیسی B مسیری را دنبال می‌کند که مشابه منحنی مغناطیسی اولیه است اما با آن یکسان نیست. منحنی بسته کاملی که با رسم B در برابر H در طول این فرآیند چرخه‌ای به دست می‌آید، حلقه هیسترزیس نامیده می‌شود.

۴. مکانیسم‌های فیزیکی زیربنایی هیسترزیس

۴.۱ حرکت دیواره دامنه

دیواره‌های دامنه، مرزهای بین حوزه‌های مغناطیسی مجاور هستند. هنگامی که نیروی مغناطیسی اعمال می‌شود، دیواره‌های دامنه حرکت می‌کنند تا اندازه و جهت دامنه‌ها را تغییر دهند. با این حال، حرکت دیواره دامنه یک فرآیند بدون اصطکاک نیست. موانع مختلفی در داخل ماده وجود دارد، مانند ناخالصی‌ها، نقص‌ها و مرزهای دانه، که مانع حرکت دیواره‌های دامنه می‌شوند. این مقاومت در برابر حرکت دیواره دامنه به اثر هیسترزیس کمک می‌کند، زیرا دیواره‌های دامنه بلافاصله به تغییرات نیروی مغناطیسی پاسخ نمی‌دهند.

۴.۲ چرخش گشتاور مغناطیسی

علاوه بر حرکت دیواره دامنه، گشتاورهای مغناطیسی درون دامنه‌ها نیز می‌توانند بچرخند تا با نیروی مغناطیس‌کنندگی همسو شوند. چرخش گشتاورهای مغناطیسی همچنین توسط برهمکنش‌های بین گشتاورهای همسایه و شبکه کریستالی ماده مختل می‌شود. این برهمکنش‌ها باعث می‌شوند گشتاورهای مغناطیسی از تغییرات نیروی مغناطیس‌کنندگی عقب بمانند و این امر به پدیده هیسترزیس کمک می‌کند.

۵. عوامل مؤثر بر حلقه هیسترزیس

۵.۱ ترکیب مواد

مواد مغناطیسی مختلف، ویژگی‌های حلقه هیسترزیس متفاوتی دارند. به عنوان مثال، آلیاژهای پایه آهن مانند فولاد سیلیکونی معمولاً به عنوان مواد مغناطیسی نرم در ترانسفورماتورها و موتورها استفاده می‌شوند زیرا وادارندگی کم و نفوذپذیری بالایی دارند. از سوی دیگر، آهنرباهای عناصر خاکی کمیاب مانند نئودیمیوم-آهن-بور (NdFeB) و ساماریوم-کبالت (SmCo) مواد مغناطیسی سخت با وادارندگی و پسماند بالا هستند که آنها را برای کاربردهایی که در آنها به یک میدان مغناطیسی قوی و دائمی نیاز است، مانند موتورهای خودروهای الکتریکی و یاتاقان‌های مغناطیسی، مناسب می‌کند.

۵.۲ دما

دما تأثیر قابل توجهی بر حلقه هیسترزیس یک ماده مغناطیسی دارد. با افزایش دما، آشفتگی حرارتی اتم‌ها و گشتاورهای مغناطیسی درون ماده نیز افزایش می‌یابد. این امر می‌تواند هم‌ترازی حوزه‌های مغناطیسی را مختل کند و باعث کاهش پسماند و وادارندگی ماده شود. در یک دمای بحرانی خاص، به نام دمای کوری، ماده خواص فرومغناطیسی خود را از دست می‌دهد و پارامغناطیس می‌شود.

۵.۳ اندازه دانه

اندازه دانه یک ماده مغناطیسی نیز بر حلقه هیسترزیس آن تأثیر می‌گذارد. به طور کلی، موادی با اندازه دانه‌های کوچکتر، تمایل به وادارندگی کمتری دارند. این به این دلیل است که دانه‌های کوچکتر دیواره‌های دامنه کمتری دارند و حرکت دیواره‌های دامنه در مقایسه با موادی با دانه‌های بزرگتر، محدودیت کمتری دارد. با این حال، اندازه دانه‌های بسیار کوچک می‌تواند منجر به اثرات دیگری مانند افزایش انرژی سطحی شود که ممکن است بر خواص مغناطیسی نیز تأثیر بگذارد.

۶. کاربردهای تحلیل حلقه هیسترزیس

۶.۱ مهندسی برق

در مهندسی برق، تحلیل حلقه هیسترزیس برای طراحی و انتخاب مواد مغناطیسی در ترانسفورماتورها، سلف‌ها و موتورها بسیار مهم است. مواد مغناطیسی نرم با تلفات هیسترزیس کم برای این کاربردها ترجیح داده می‌شوند تا مصرف انرژی را به حداقل برسانند. با تحلیل حلقه هیسترزیس، مهندسان می‌توانند بر اساس ویژگی‌های پسماند، وادارندگی و تلفات انرژی، ماده مناسب را برای یک کاربرد خاص تعیین کنند.

۶.۲ ذخیره‌سازی مغناطیسی

دستگاه‌های ذخیره‌سازی مغناطیسی، مانند هارد دیسک‌ها و نوارهای مغناطیسی، به توانایی ذخیره و بازیابی اطلاعات مغناطیسی متکی هستند. حلقه هیسترزیس رسانه ضبط مغناطیسی، توانایی آن را در حفظ داده‌ها تعیین می‌کند. موادی با حلقه‌های هیسترزیس تعریف‌شده و پایدار برای اطمینان از حفظ قابل اعتماد حالت‌های مغناطیسی که نشان‌دهنده داده‌های دودویی (0 و 1) هستند، استفاده می‌شوند.

۶.۳ پزشکی

در پزشکی، از تحلیل حلقه هیسترزیس در تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) استفاده می‌شود. خواص مغناطیسی بافت‌های بدن را می‌توان با تحلیل رفتار هیسترزیس هسته‌های هیدروژن در حضور یک میدان مغناطیسی قوی مطالعه کرد. علاوه بر این، نانوذرات مغناطیسی برای استفاده در دارورسانی هدفمند و درمان هایپرترمیا (افزایش دما) مورد بررسی قرار گرفته‌اند، که در آن‌ها ویژگی‌های حلقه هیسترزیس نانوذرات نقش حیاتی در عملکرد آن‌ها ایفا می‌کند.

۷. پیشرفت‌های اخیر و مسیرهای تحقیقاتی آینده

۷.۱ پسماند در مقیاس نانو

با توسعه فناوری نانو، علاقه فزاینده‌ای به مطالعه رفتار هیسترزیس مواد مغناطیسی در مقیاس نانو ایجاد شده است. ذرات مغناطیسی و لایه‌های نازک نانومقیاس به دلیل اندازه کوچک و نسبت سطح به حجم بالای خود، ویژگی‌های هیسترزیس منحصر به فردی از خود نشان می‌دهند. درک و کنترل هیسترزیس در مقیاس نانو می‌تواند منجر به توسعه دستگاه‌های مغناطیسی جدید با عملکرد بهبود یافته، مانند دستگاه‌های ذخیره‌سازی مغناطیسی با چگالی بالا و اسپینترونیک شود.

۷.۲ مواد چندفروئیک

مواد چندفروئیک موادی هستند که همزمان خواص فرومغناطیسی و فروالکتریکی را از خود نشان می‌دهند. کوپلینگ بین نظم‌های مغناطیسی و الکتریکی در این مواد باعث ایجاد پدیده هیسترزیس جالبی می‌شود. تحقیقات در مورد مواد چندفروئیک بر بهره‌برداری از خواص منحصر به فرد آنها برای کاربرد در دستگاه‌های حافظه، حسگرها و محرک‌های جدید متمرکز است.

۷.۳ مدل‌سازی محاسباتی

تکنیک‌های مدل‌سازی محاسباتی، مانند محاسبات اصول اولیه و شبیه‌سازی‌های میکرومغناطیسی، در مطالعه حلقه‌های هیسترزیس اهمیت فزاینده‌ای پیدا می‌کنند. این روش‌ها به محققان اجازه می‌دهند تا خواص مغناطیسی مواد را پیش‌بینی کرده و مکانیسم‌های فیزیکی اساسی را در سطح میکروسکوپی درک کنند. با ترکیب مدل‌سازی محاسباتی با اندازه‌گیری‌های تجربی، می‌توان به درک جامع‌تری از هیسترزیس دست یافت.

۸. نتیجه‌گیری

منحنی حلقه هیسترزیس ابزاری قدرتمند برای توصیف خواص مغناطیسی مواد است. این منحنی اطلاعات ارزشمندی در مورد ویژگی‌های پسماند، وادارندگی و اتلاف انرژی ارائه می‌دهد که برای طراحی و بهینه‌سازی دستگاه‌های مغناطیسی در زمینه‌های مختلف ضروری هستند. مکانیسم‌های فیزیکی زیربنای هیسترزیس، مانند حرکت دیواره دامنه و چرخش گشتاور مغناطیسی، روشن شده‌اند و عوامل مؤثر بر شکل و اندازه حلقه هیسترزیس، از جمله ترکیب مواد، دما و اندازه دانه، مورد بحث قرار گرفته‌اند. کاربردهای تحلیل حلقه هیسترزیس در مهندسی برق، ذخیره‌سازی مغناطیسی و پزشکی، اهمیت عملی آن را برجسته می‌کند. پیشرفت‌های اخیر در هیسترزیس در مقیاس نانو، مواد چندفروئیک و مدل‌سازی محاسباتی، مسیرهای تحقیقاتی هیجان‌انگیزی را در آینده در مطالعه حلقه‌های هیسترزیس ارائه می‌دهند. با ادامه تحقیقات در این زمینه، می‌توانیم انتظار داشته باشیم که مواد و دستگاه‌های مغناطیسی جدیدی با عملکرد بهبود یافته و قابلیت‌های جدید ببینیم.