كيف تعمل النوى المغناطيسية؟

النوى المغناطيسية هي مكونات أساسية في مجموعة واسعة من الأجهزة الكهربائية والإلكترونية ، من محولات الطاقة والمحاثات إلى المحركات وأجهزة الاستشعار. في قلبهم ، هذه الهياكل البسيطة على ما يبدو هي أعجوبة معقدة من علوم المواد والكهرومغناطيسية ، المصممة لتركيز وتوجيه التدفق المغناطيسي بكفاءة. لفهم كيفية عملهم ، نحتاج إلى الخوض في مبادئ المغناطيسية والخصائص المحددة للمواد المستخدمة.

أساسيات المغناطيسية والنفاذية المغناطيسية

تشغيل جوهر مغناطيسي يتوقف على مفهوم نفاذية المغناطيسية (( $\mu$ ) ، قدرة المادة على دعم تكوين مجال مغناطيسي داخل نفسه. بعبارات أبسط ، إنه مقياس لمدى سهولة تمر خطوط القوة المغناطيسية عبر مادة. الهواء أو الفراغ له نفاذية مغناطيسية ( ${\mu }_0$ ) من تقريبا $4\pi \times 10^{-7}$ H/M (Henries لكل متر) ، والذي يعمل كمرجع.

المواد المغناطيسية المغناطيسية ، مثل الحديد والنيكل والكوبالت وسبائكها ، تظهر نفاذية مغناطيسية عالية بشكل استثنائي - مئات إلى آلاف المرات أكبر من الهواء. تنبع هذه المميزة الفريدة من بنيتها الذرية ، وتحديدا وجود الإلكترونات غير المقيدة التي تعمل كمغناطيس صغيرة. في هذه المواد ، تحت تأثير المجال المغناطيسي الخارجي ، هذه المغناطيسات الذرية (أو المجالات المغناطيسية ) محاذاة نفسها ، تضخيم بشكل كبير المجال المغناطيسي العام.

عندما يكون الموصل الذي يحمل تيارًا كهربائيًا حول مادة أساسية ، فإنه يولد مجالًا مغناطيسيًا. إذا كانت هذه المادة الأساسية لها نفاذية عالية ، فإنها "تجمع" بشكل فعال وتركز هذه الخطوط المجال المغناطيسية ، وتوجهها عبر جسمها. هذا التركيز من التدفق هو الوظيفة الأساسية للنواة المغناطيسية.

الوظائف والتطبيقات الرئيسية

تتيح قدرة النوى المغناطيسية على تركيز التدفق المغناطيسي عدة وظائف حاسمة:

• زيادة الحث: في محث ، يخلق ملف السلك مجالًا مغناطيسيًا. بدون نواة ، تكون الحث (القدرة على تخزين الطاقة في مجال مغناطيسي) منخفضًا نسبيًا. إن إدخال جوهر مغناطيسي عالي الفعل يزيد بشكل كبير من الحث في الملف ، مما يسمح له بتخزين المزيد من الطاقة وتصبح أكثر فعالية في التصفية والضبط وتخزين الطاقة. الحث ( $ل$ ) من لفائف ذات جوهر يتناسب بشكل مباشر مع نفاذية النواة ومربع عدد المنعطفات ، وتتناسب عكسيا مع طول المسار المغناطيسي.

• نقل الطاقة الفعال (المحولات): في محول ، يتم جرح اثنين أو أكثر من اللفات حول قلب مغناطيسي مشترك. عندما يتدفق تيار متناوب عبر الملف الأساسي ، فإنه يولد مجالًا مغناطيسيًا متغيرًا يتم توجيهه بكفاءة من خلال جوهر النقل العالي. هذا التدفق المغناطيسي المتغير يحفز الجهد في الملف الثانوي ، مما يسمح بنقل فعال للطاقة الكهربائية بين الدوائر ، مع صعود مستويات الجهد لأعلى أو لأسفل. القلب يقلل تسرب تدفق (خطوط المجال المغناطيسي التي لا تربط كلا الملفات) ، وبالتالي زيادة كفاءة الاقتران.

• تحسين الاقتران المغناطيسي (المحركات والمولدات): في المحركات والمولدات ، تشكل النوى المغناطيسية أجزاء من الجزء الثابت والدوار ، مما يوجه الحقول المغناطيسية التي تنتج عزم الدوران أو تولد الكهرباء. يضمن القلب أن خطوط المجال المغناطيسي تتفاعل بشكل فعال بين الأجزاء الثابتة والدورة ، مما يؤدي إلى تحويل الطاقة الفعال.

أنواع النوى المغناطيسية وخصائصها

يعد اختيار المواد الأساسية المغناطيسية أمرًا بالغ الأهمية ويعتمد بشكل كبير على التطبيق المقصود ، وخاصة تواتر التشغيل ومستويات الطاقة.

1. نوى الحديد الناعمة: هذه هي من بين أبسط وأقدم أنواع النوى المغناطيسية. يتم استخدام الحديد الناعم بسبب نفاذيةه العالية نسبيًا ومنخفضة الاحتفاظ (تتم إزالة قدرتها على الاحتفاظ بالمغناطيسية بعد إزالة الحقل الخارجي). يتم العثور عليها عادة في المغناطيس الكهرومغناطيسي حيث يلزم وجود مجال مغناطيسي قوي ومؤقت.

2. النوى الصلب السيليكون (التصفيح): لتطبيقات التيار المتردد مثل محولات الطاقة ، الصلب السيليكون هي المادة المفضلة. إضافة السيليكون (عادة 0.5 ٪ إلى 4.5 ٪) يزيد من المقاومة ويقلل الخسائر الأساسية ، خاصة إدي خسائر الحالية . لمزيد من التخفيف من التيارات الدوامة ، التي تدور التيارات التي تسببها في القلب بواسطة مجال مغناطيسي متغير ، يتم إنشاء هذه النوى من صفائح رقيقة أو التصفيح التي معزولة كهربائيا عن بعضها البعض. هذا يكسر مسارات تيار الدوامة ، مما يجبرها على حلقات أصغر ويقلل بشكل كبير من حجمها. خسائر التباطؤ ، هناك نوع آخر من الخسائر الأساسية الناتجة عن الطاقة المطلوبة لتحفيز النواة وتزميدها بشكل متكرر ، كما يتم النظر فيها في اختيار المواد ؛ الصلب السيليكون لديه حلقة التباطؤ ضيقة نسبيا ، مما يشير إلى انخفاض فقدان الطاقة لكل دورة.

3. النوى الفريت: الفريتس عبارة عن مركبات خزفية تتكون في المقام الأول من أكاسيد الحديد المخلوطة مع عناصر معدنية أخرى (مثل النيكل والزنك والمنغنيز). على عكس النوى المعدنية ، فإن الفريت العوازل ، مما يعني أن لديهم مقاومة عالية للغاية. هذه الخاصية تجعلها مثالية تطبيقات التردد العالي (Kilohertz إلى مجموعة Gigahertz) حيث ستكون الخسائر الحالية الدوامة باهظة في النوى المعدنية. يتم تصنيف ferrites إلى:

   • الفريت الناعمة: تستخدم في تطبيقات مثل محولات RF ، المحاثات ، وقمع EMI. لديهم قسرية منخفضة (بسهولة مغناطيسية ومغنطيسية) وخسائر منخفضة نسبيا في الترددات العالية.

   • الفريت الصعبة: تستخدم للمغناطيس الدائم بسبب قيمتها العالية والاحتفاظ بها.

4. نوى بيرمالوي: هذه هي سبائك من الحديد النيكل المعروفة بنفاذيةها المغناطيسية العالية للغاية وانخفاض الإكراه ، وخاصة في نقاط قوة المجال المغناطيسي المنخفضة. غالبًا ما يتم استخدامها في أجهزة الاستشعار المغناطيسية الحساسة ، والدرع المغناطيسي ، ومحولات الصوت عالية الجودة حيث يلزم الأداء المغناطيسي الدقيق.

5. النوى غير المتبلور والبلورات النانوية: هذه فئات أحدث من المواد التي تتكون من المعدن المنصهر بسرعة التبريد ، مما يمنع تكوين بنية بلورية. أنها توفر خصائص مغناطيسية ممتازة ، بما في ذلك نفاذية عالية للغاية ، والخسائر الأساسية المنخفضة ، وكثافة تدفق التشبع العالية ، مما يجعلها مناسبة للإلكترونيات الطاقة عالية التردد والمكونات الاستقرائية المتقدمة.

الخسائر الأساسية: اعتبار عملي

في حين أن النوى المغناطيسية تعزز الأداء ، فهي ليست خسارة. الأنواع الأساسية من الخسائر في النوى المغناطيسية في ظل الظروف الحالية المتناوبة هي:

• فقدان التباطؤ: كما ذكرنا ، هذه هي الطاقة التي تبددها الحرارة عندما تعيد المجالات المغناطيسية في المادة الأساسية مرارًا وتكرارًا أنفسهم خلال كل دورة من المغنطيسية وتزوير المغناطيسية. يتناسب مع مساحة حلقة التباطؤ في المواد.

• خسارة الدوامة الحالية: هذه هي الخسائر المقاومة الناجمة عن التيارات الدورية غير المرغوب فيها الناجم عن المادة الأساسية نفسها بواسطة المجال المغناطيسي المتغير. يتم تقليلها عن طريق استخدام النوى المغناطيسية أو مواد مقاومة عالية مثل الفريت.

يختار المهندسون بدقة المواد والتصميمات الأساسية لتقليل هذه الخسائر ، مما يضمن أعلى كفاءة ممكنة للتطبيق المحدد.

النوى المغناطيسية هي مكونات لا غنى عنها تستفيد من مبادئ المغناطيسية الكهرومغناطيسية وعلوم المواد للتحكم في الحقول المغناطيسية وتحسينها. إن قدرتهم على تركيز التدفق ، وتقليل الخسائر ، وتمكين نقل الطاقة الفعال يجعلها حاسمة في عمل الأنظمة الإلكترونية والكهربائية التي لا حصر لها والتي تعمل على تشغيل عالمنا الحديث. يعد فهم تشغيلها الأساسي وخصائص المواد الأساسية المختلفة ضرورية لأي شخص يعمل مع الدوائر الكهربائية أو تصميمها.