آشنايي با برخي مفاهيم مغناطيسي

1. ميدان مغناطيسي¹ 

يکي از اساسي‌ترين مفاهيم در مغناطيس، ميدان مغناطيسي (H) مي‌باشد. اثراتي که يک آهنربا در فضاي اطراف خود ايجاد مي‌کند، را ميدان مغناطيسي مي‌گويند. ميدان مغناطيسي، ميدان نيروئي شبيه به ميدان‌هاي الکتريکي و جاذبه مي‌باشد. اين ميدان به وسيله حرکت ذره باردار و يا توسط يک آهنربا ايجاد مي‌شود. در مورد آهنرباهاي دائمي هيچ جريان الکتريکي وجود ندارد، اما حرکت‌هاي اسپيني و اوربيتالي الکترون‌ها در داخل آهنربا، منجر به مغناطش ماده و ايجاد ميدان مغناطيسي در اطراف آن مي‌گردد. در دو انتهاي هر آهنربا حوزه پتانسيل مغناطيسي وجود دارد، که قطب‌هاي مغناطيسي ناميده مي‌شود. بر خلاف ميدان‌هاي الکتريکي و جاذبه، آهنرباي تک قطبي وجود ندارد و آهنرباها هميشه به صورت دو قطبي مي‌باشند.

ميدان مغناطيسي کميتي برداري است و مانند هر کميت برداري ديگري داراي جهت و بزرگي است و آن را با نماد H نمايش مي‌دهند. واحد ميدان مغناطيسي در سيستم SI، آمپر بر متر (A/m) و در سيستم cgs اورستد (Oe) مي‌باشد.

2. القاي مغناطيسي²

نتيجه اعمال ميدان مغناطيسي با شدت (H)، القاي مغناطيسي يا شار مغناطيسي (B) مي‌باشد. در واقع، به پاسخ جسم در ميدان مغناطيسي با شدت (H)، القاي مغناطيسي اطلاق مي‌گردد. در سيستم MKS واحد دانسيته‌ي شار، وبر بر مترمربع (Wb/m2) مي‌باشد، که تسلا (T) ناميده مي‌شود. در برخي موارد B تابع خطي از H مي‌باشد و رابطه پايين در خلاء بين اين دو پارامتر برقرار است:

 رابطه (2-1)                                                                     B= µ? . H

که µ? نفوذپذيري مغناطيسي خلاء مي‌باشد و مقدار آن 4?×10-7 H/M است. در اغلب موارد به ويژه در مواد فرومغناطيس، B تابع خطي از H نيست و رابطه زير بين اين دو برقرار است:

رابطه (2-2)                                                                     B= µ . H

µ قابليت نفوذپذيري مغناطيسي ماده مي‌باشد و لزوماً ثابت نيست. واحد µ وبر بر آمپرمتر يا هِنري بر متر مي‌باشد. قابليت نفوذپذيري يک ماده، معرف ميزان توانايي آهنربايي شدن آن ماده يا سهولت القاي ميدان B در حضور ميدان خارجي H مي‌باشد.

3. مغناطش³

تعداد ممان‌هاي مغناطيسي (دوقطبي‌هاي مغناطيسي) موجود در واحد حجم جسم را مغناطش مي‌گويند که معيار سنجش ميزان مغناطيس شدن يک جسم مي‌باشد و توسط رابطه زير بيان مي‌گردد:

رابطه (3-1)                                                                     M= m/v

که m تعداد ممان‌هاي مغناطيسي (گشتاور مغناطيسي) و v حجم ماده مي‌باشد. رابطه بين سه پارامتر اساسي مغناطيسي (M, H, B) در سيستم MKS توسط رابطه عمومي زير بيان مي‌شود:

رابطه (3-2)                                                              ( B= µ?(H+M

در واقع ممان‌هاي مغناطيسي درون ماده تمايل به هم‌راستا شدن با ميدان يا تقويت آن دارند.

4. ممان مغناطيسي⁴

خواص مغناطيسي مواد نتيجه ممان‌هاي مغناطيسي حاصل از الکترون‌هاست. هرالکترون در يک اتم داراي ممان مغناطيسي است، که از دو منبع ايجاد مي‌شود. يکي مربوط به حرکت اوربيتالي الکترون حول هسته است و ديگري ناشي از چرخش الکترون به دور محور خودش، که حرکت اسپيني ناميده مي‌شود. بنابراين هر الکترون در يک اتم يا ممان‌هاي اوربيتالي و اسپيني مي‌تواند به طور دائم مانند آهنرباي کوچکي عمل نمايد.

5. حلقه پسماند⁵

وقتي ماده فرو و فري‌مغناطيسي تحت ميدان مغناطيسي قرار گيرد، گشتاورهاي آن در جهت ميدان قرار مي‌گيرند. وقتي که همه گشتاورهاي آن ماده هم‌سو با ميدان شدند، مغناطش به حالت اشباع مي‌رسد که به آن مغناطش اشباع (Ms) مي‌گويند. چنانچه ميدان معکوس اعمال شود، تا نقطه عطف مغناطش برگشت پذير است، ولي بعد از آن تعدادي از گشتاورها از جهت ميدان اعمالي منحرف مي‌شوند و تعدادي از آن‌ها نيز در جهت ميدان باقي مي‌مانند که به آن پسماند مغناطيسي  ⁶(Mr) مي‌گويند و نشان دهنده‌ي مقدار القاء مغناطيسي است که در جسم باقي مي‌ماند.

حلقه پسماند که در شکل (5-1) نشان داده شده است، در واقع، ارتباط بين B (القاء مغناطيسي) و H (ميدان اعمالي) را نشان مي‌دهد. تا زماني که نمونه به نقطه اشباع برسد (Bs)، منحني مغناطش اوليه را خواهيم داشت. اگر H پس از اشباع در جهت مثبت به صفر برسد، چگالي شار از Bs به Br تغيير مي‌کند که به آن پسماند مغناطيسي مي‌گويند. در اين حالت اگر H را در جهت منفي افزايش دهيم، B کاهش يافته و وقتي شدت ميدان به Hc (وادارندگي مغناطيسي) رسيد، مقدار آن صفر مي‌شود. نيروي وادارندگي، به مقدار ميداني اطلاق مي‌شود که بايد در جهت مخالف ميدان اوليه اعمال شود تا مغناطش حاصل از ميدان قبلي را به صفر برساند. با افزايش بيشتر H در جهت منفي دوباره به Bs مي‌رسيم و با تکرار حالات بالا، يک حلقه به دست مي‌آيد که به آن حلقه پسماند مي‌گويند و مهم ترين مشخصه‌ي هر ماده مغناطيسي است که از نظر صنعتي قابل استفاده مي‌باشد.

شکل منحني پسماند بستگي به خواص ماده مانند ناهمسانگردي کريستالي و انرژي ديواره حوزه‌ها دارد. علاوه بر آن، پارامترهاي خارجي مانند تخلخل‌ها، ناخالصي‌ها و طبيعت و اندازه‌ي دانه ها نيز در شکل منحني تأثير دارند.

• Br: پسماند مغناطیسی : شار مغناطیسی است که به طور دایم در یک آهنربا باقی مانده است .

• Hc یا Hci : وادارندگی : میزان مقاومت و حساسیت برای جلوگیری از مغناطیس زدایی در آهنربا .

1.Magnetic Field

2.Magnetic Induction

3.Magnetization

4.Magnetic Moment

5.Hysterises Loop

6.Magnetic Remanence