مطالعه و بررسی پس‌ماند مغناطیسی و رسم منحنی هیسترزیس

مطالعه و بررسی پس‌ماند مغناطیسی و رسم منحنی هیسترزیس

مواد بر حسب خاصیت مغناطیسی به سه دسته پارامغناطیس، دیا مغناطیس و فرومغناطیس تقسیم می‌شوند. در مواد فرومغناطیس حوزه‌های ریزی از اتم‌ها وجود دارد که در آن‌ها دو قطبی مغناطیسی اتم‌ها در یک جهت قرار دارد. با قرار گرفتن یک ماده فرومغناطیس در میدان مغناطیسی خارجی حوزه‌های مغناطیسی داخلی مرتب شده و تقریباً همگی در جهت میدان قرار می‌گیرند. این امر باعث می‌شود تا القای مغناطیسی به شدت افزایش یابد. افزایش شدت القای مغناطیسی تا جائی ادامه می‌یابد که تقریباً همه حوزه‌ها در یک جهت قرار گرفته باشند. در چنین حالتی فرومغناطیس را اشباع شده می‌گویند.

اما پس از این اگر میدان مغناطیسی خارجی اعمال شده کاهش یابد شدت القای مغناطیسی دیگر به نسبت خطی با آن کم نمی‌شود چرا که برخی حوزه‌ها تمایل دارند در همان حالت قبلی خود بمانند. حتی اگر میدان خارجی صفر هم شود بازهم تا زمان کمی خاصیت مغناطیسی در فرومغناطیس ناشی از همان پایداری تغییر جهت دو قطبی‌های حوزه‌ها باقی می‌ماند که به آن پسماند مغناطیسی می‌گویند. مثلاً فولاد که یک فرومغناطیس سخت است تا زمان قابل توجهی پس از قطع میدان خارجی خاصیت مغناطیسی خود را حفظ می‌کند.

شرح آزمایش:

برای مطالعه وضعیت پسماند مغناطیسی در یک فرومغناطیس این ماده را (مثلاً آهن) به عنوان هسته وارد یک چنبره می‌کنیم. اگر در چنبره هسته‌ای نمی‌بود با برقراری جریان میدان مغناطیسی معادل  در آن ایجاد می‌شد. ( گذردهی مغناطیسی خلاء ‌ جریان عبوری و ‌تعداد دورها بر واحد طول است.) اما اگر هسته آهنی وجود داشته باشد میدان ایجاد شده شدید‌تر خواهد بود و معادل  می‌شود. مقدار  با مغناطیس شدگی  نسبت مستقیم دارد.

بنا بر این برای بدست آوردن مقدار مغناطیس شدگی هسته آهنی کافی است میدان مغناطیسی ایجاد شده  را بدست آوریم و با میدان اعمال شده یعنی  مقایسه کنیم تا  به عنوان ضریبی از ‌بدست آید.

برای اندازه‌گیری  هم کافی است تا از قانون القای فارادی کمک بگیریم. برای این منظور از یک سیم‌پیچ ثانویه که به دور چنبره می‌پیچیم کمک می‌گیریم. این سیم‌پیچ را به یک آمپرمتر بسیار حساس (گالوانومتر) متصل می‌کنیم. با تغییر میدان مغناطیسی  جریانی متناسب با  در سیم‌پیچ ثانویه ایجاد می‌شود.

می‌توان فرض کرد که انحراف ایجاد شده در عقربه گالوانومتر (اگر بر حسب زاویه قرائت شود و یا حتی اگر آن را با ولت بخوانیم) با بار  متناسب است. در نتیجه با  متناسب است.  پس برای داشتن معیاری متناسب با خود  باید در هر مرحله انحراف‌ها را با هم جمع کنیم. (تغییرات را تجمعی در نظر بگیریم.)

مرحله اول :   از  a تا b

در این مرحله ابتدا کلیه خاصیت مغناطیسی باقی‌مانده قبلی در هسته آهنی تخلیه می‌شود. سپس هسته با برقراری جریانی تا مقدار بیشینه‌ای (معادل با انحراف گالوانومتر) در معرض میدان مغناطیسی خارجی قرار می‌گیرد. سپس با بازکردن کردن کلیدهای  تا  و اضافه کردن مقاومت به مدار جریان عبوری را کاهش می‌دهیم یعنی عملاً میدان مغناطیسی خارجی را کم می‌کنیم. در هر مرحله با وصل هر کلید انحراف گالوانومتر را به عنوان تابعی از تغییرات میدان مغناطیسی ایجاد شده اندازه می‌گیریم. مشاهده می‌شود که با صفر شدن جریان میدان مغناطیسی صفر نمی‌شود و این به این معناست که هنوز برخی حوزه‌ها جهتشان را در راستای میدان قبلی حفظ کرده‌اند و پسماند داریم.

از داده‌های این مرحله جدول زیر بدست می‌آید :

	انحراف	حساسیت	جریان (آمپر)	کلید
153	7	5	0.62	K7
149	4	5	0.44	K6
145	4	5	0.32	K5
143	2	5	0.26	K4
141	2	5	0.20	K3
140	1	5	0.18	K2
128	12	5	0	K1

مرحله دوم :   از  c تا d

در این مرحله با تغییر وضعیت کلید دو طرفه جهت جریان را معکوس می‌کنیم. سپس با بستن کلیدها از  تا  و در نتیجه حذف مقاومت‌ها شدت جریان معکوس را بیشتر می‌کنیم و انحراف گالوانومتر را به عنوان تابعی از میدان مغناطیسی ثبت می‌کنیم.

 از داده‌های این مرحله جدول زیر بدست می‌آید :

	انحراف	حساسیت	جریان (آمپر)	کلید
-54	54	5	0.18	K1
-60	6	5	0.20	K2
-85	25	5	0.26	K3
-96	11	5	0.32	K4
-112	16	5	0.46	K5
-124	12	5	0.66	K6
-146	22	5	1.68	K7

مرحله سوم :   از  d تا e

در این مرحله بدون تغییر وضعیت کلید دو طرفه، با باز کردن کلیدها همان جریان منفی را کاهش می‌دهیم. در واقع این مرحله تقریباً شبیه مرحله اول است که می‌خواستیم پس‌ماند را بررسی کنیم اما این بار در جهتی معکوس. 

از داده‌های این مرحله جدول زیر بدست می‌آید :

	انحراف	حساسیت	جریان (آمپر)	کلید
-136	10	5	0.66	K7
-130	6	5	0.46	K6
-125	5	5	0.32	K5
-123	2	5	0.26	K4
-120	3	5	0.20	K3
-119	1	5	0.18	K2
-107	12	5	0	K1

مرحله چهارم :   از  f تا a

در این مرحله وضعیت کلید دو طرفه را تغییر می‌دهیم تا جریان مثبت ایجاد شود. سپس با بستن کلیدها جریان مثبت را به مرور در مدار افزایش می‌دهیم و در هر مرحله انحراف گالوانومتر را به عنوان تابعی از میدان مغناطیسی ایجاد شده می‌خوانیم.

از داده‌های این مرحله جدول زیر بدست می‌آید :

	انحراف	حساسیت	جریان (آمپر)	کلید
65	65	5	0.18	K1
69	4	5	0.20	K2
91	22	5	0.26	K3
110	9	5	0.32	K4
125	15	5	0.46	K5
136	11	5	0.66	K6
155	19	5	1.62	K7

 با در نظر گرفتن جهت‌های مثبت و منفی می‌توان داده‌های بالا را در نموداری به شکل زیر منعکس کرد. حلقه ایجاد شده را حلقه اشباع هیسترزیس گویند.

از آنجا که امکان تغییر پیوسته جریان در این آزمایش به خاطر محدودیت مدار وجود نداشت در ربع دوم و چهارم داده‌ای نداریم و نمودار با درون‌یابی رسم شده است.