التشبع (المغناطيسي)

تُلاحظ حالة التشبع في بعض المواد المغناطيسية ، وهي الحالة التي لا يُمكن فيها زيادة مغنطة المادة بزيادة المجال المغناطيسي الخارجي H ، وبالتالي تستقر كثافة التدفق المغناطيسي الكلي B تقريبًا. (مع ذلك، تستمر المغنطة في الزيادة ببطء شديد مع المجال بسبب الخاصية البارامغناطيسية ) . يُعد التشبع سمة مميزة للمواد المغناطيسية الحديدية والمغناطيسية الحديدية المضادة ، مثل الحديد والنيكل والكوبالت وسبائكها. وتختلف مستويات التشبع باختلاف المواد المغناطيسية الحديدية .

يظهر التشبع بوضوح في منحنى التمغنط (المعروف أيضًا بمنحنى BH أو منحنى التخلف المغناطيسي ) للمادة، على شكل انحناء نحو يمين المنحنى (انظر الرسم البياني على اليمين). مع ازدياد شدة المجال المغناطيسي H ، يقترب المجال المغناطيسي B من قيمة عظمى بشكل تقاربي ، وهي مستوى التشبع للمادة. من الناحية الفنية، فوق مستوى التشبع، يستمر المجال المغناطيسي B في الازدياد، ولكن بمعدل مغناطيسي مساير ، وهو أقل بعدة مراتب من المعدل المغناطيسي الحديدي الذي يُلاحظ دون مستوى التشبع. ^{[ 2 ]}

يمكن أيضًا التعبير عن العلاقة بين المجال المغناطيسي H والمجال المغناطيسي B على أنها النفاذية المغناطيسية :${\displaystyle \mu =B/H}$أو النفاذية النسبية${\displaystyle \mu _{r}=\mu /\mu _{0}}$، أين${\displaystyle \mu _{0}}$هي نفاذية الفراغ . نفاذية المواد المغناطيسية الحديدية ليست ثابتة، بل تعتمد على المجال المغناطيسي H. في المواد المشبعة، تزداد النفاذية النسبية مع H حتى تصل إلى قيمة عظمى، ثم تتناقص تدريجيًا مع اقترابها من التشبع حتى تصل إلى الواحد. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

تختلف مستويات التشبع المغناطيسي باختلاف المواد. فعلى سبيل المثال، تصل سبائك الحديد ذات النفاذية العالية المستخدمة في المحولات إلى التشبع المغناطيسي عند 1.6-2.2 تسلا (T)، ^{[ 4 ]} بينما تتشبع الفريتات عند 0.2-0.5 تسلا. ^{[ 5 ]} وتتشبع بعض السبائك غير المتبلورة عند 1.2-1.3 تسلا. ^{[ 6 ]} أما معدن مو فيتشبع عند حوالي 0.8 تسلا. ^{[ 7 ] [ 8 ]}    

تتكون المواد المغناطيسية الحديدية (مثل الحديد) من مناطق مجهرية تُسمى النطاقات المغناطيسية ، تعمل كمغناطيسات دائمة صغيرة قادرة على تغيير اتجاه مغنطتها. قبل تطبيق مجال مغناطيسي خارجي على المادة، تكون المجالات المغناطيسية للنطاقات موجهة في اتجاهات عشوائية، مما يؤدي إلى إلغاء بعضها البعض، وبالتالي يكون صافي المجال المغناطيسي الخارجي ضئيلاً للغاية. عند تطبيق مجال مغناطيسي خارجي H على المادة، يخترقها ويُرتب النطاقات، مما يتسبب في دوران مجالاتها المغناطيسية الصغيرة ومحاذاتها بالتوازي مع المجال الخارجي، لتتجمع معًا مُكوّنةً مجالًا مغناطيسيًا كبيرًا B يمتد خارج المادة. يُسمى هذا التمغنط . كلما زادت قوة المجال المغناطيسي الخارجي H ، زادت محاذاة النطاقات، مما ينتج عنه كثافة تدفق مغناطيسي أعلى B. في النهاية، عند قيمة معينة للمجال المغناطيسي الخارجي، تكون جدران النطاقات قد وصلت إلى أقصى حد ممكن، وتكون النطاقات مُحاذية بقدر ما يسمح به التركيب البلوري، لذا يكون التغير في بنية النطاقات ضئيلاً عند زيادة المجال المغناطيسي الخارجي فوق هذه القيمة. تبقى المغنطة ثابتة تقريبًا، ويُقال إنها وصلت إلى التشبع. ^{[ 9 ]} يعتمد تركيب النطاقات عند التشبع على درجة الحرارة. ^{[ 9 ]}

يفرض التشبع حدًا عمليًا على أقصى شدة للمجال المغناطيسي التي يمكن تحقيقها في المغناطيسات الكهربائية والمحولات ذات النوى المغناطيسية الحديدية ، والتي تبلغ حوالي 2 تسلا، مما يحد من الحد الأدنى لحجم نوى هذه المغناطيسات. وهذا أحد أسباب كبر حجم المحركات والمولدات ومحولات الطاقة عالية القدرة ؛ فلكي تنقل كميات التدفق المغناطيسي الكبيرة اللازمة لإنتاج طاقة عالية، يجب أن تمتلك نوى مغناطيسية كبيرة. أما في التطبيقات التي يجب فيها تقليل وزن النوى المغناطيسية إلى أدنى حد، مثل المحولات والمحركات الكهربائية في الطائرات، فيُستخدم غالبًا سبيكة ذات تشبع عالٍ مثل بيرميندور .

في الدوائر الإلكترونية ، تعمل المحولات والمحاثات ذات النوى المغناطيسية الحديدية بشكل غير خطي عندما يكون التيار المار بها كافيًا لتشبع مواد نواةها. وهذا يعني أن محاثتها وخصائصها الأخرى تتغير بتغير تيار التشغيل. في الدوائر الخطية، يُعتبر هذا عادةً انحرافًا غير مرغوب فيه عن السلوك المثالي. عند تطبيق إشارات التيار المتردد ، يمكن أن يتسبب هذا السلوك غير الخطي في توليد توافقيات وتشوه بيني . ولمنع ذلك، يجب الحد من مستوى الإشارات المطبقة على المحاثات ذات النوى الحديدية حتى لا تتشبع. وللحد من آثاره، تُنشأ فجوة هوائية في بعض أنواع نوى المحولات. ^{[ 10 ]} ويُحدد المصنعون تيار التشبع ، وهو التيار المار عبر الملف اللازم لتشبع النواة المغناطيسية، في مواصفات العديد من المحاثات والمحولات.

من جهة أخرى، يُستغل التشبع في بعض الأجهزة الإلكترونية. يُستخدم التشبع للحد من التيار في محولات القلب المشبع ، المستخدمة في لحام القوس الكهربائي ، ومحولات الرنين الحديدي التي تعمل كمنظمات جهد . عندما يتجاوز التيار الابتدائي قيمة معينة، يُدفع القلب إلى منطقة التشبع، مما يحد من أي زيادة إضافية في التيار الثانوي. في تطبيقات أكثر تطورًا، تستخدم محاثات القلب المشبع ومضخمات المغناطيس تيارًا مستمرًا عبر ملف منفصل للتحكم في معاوقة المحاثة . يؤدي تغيير التيار في ملف التحكم إلى تحريك نقطة التشغيل لأعلى ولأسفل على منحنى التشبع، وبالتالي التحكم في التيار المتردد المار عبر المحاثة. تُستخدم هذه في كوابح مصابيح الفلورسنت المتغيرة ، وأنظمة التحكم في الطاقة. ^{[ 11 ]}

كما يتم استغلال التشبع في مقاييس المغناطيسية ذات البوابة التدفقية وبوصلات البوابة التدفقية .

في بعض تطبيقات الصوت، تُستخدم المحولات أو المحاثات المشبعة عمدًا لإدخال تشويه في إشارة الصوت. يُولّد التشبع المغناطيسي توافقيات فردية، وعادةً ما يُدخل تشويهًا توافقيًا ثالثًا وخامسًا في نطاق الترددات المنخفضة والمتوسطة. ^{[ 12 ]}

• الممانعة المغناطيسية
• بيرميندور/هايبركو