التشوه المغناطيسي: خاصية المواد المغناطيسية
يُعرَف التمدد المغناطيسي بأنه خاصية بعض المواد المغناطيسية التي تؤدي إلى تغيير شكلها أو أبعادها عند تعرضها لحقل مغناطيسي خارجيحقل مغناطيسي. يعتمد التغيير في الحجم أو الطول للمادة بسبب التمدد المغناطيسي على قوة واتجاه الحقل المغناطيسي المطبق، بالإضافة إلى الانيازية المغناطيسية وهياكل البلورات للمادة.
يمكن استخدام التمدد المغناطيسي لتحويل الطاقة الكهرومغناطيسية إلى طاقة ميكانيكية، والعكس صحيح، وهو أساس العديد من التطبيقات مثل المحركات والمستشعرات والمتحولات،المحوّلات، المحركات والمولدات.
ما هو التمدد المغناطيسي؟
تم اكتشاف التمدد المغناطيسي لأول مرة بواسطة جيمس جول في عام 1842 عندما لاحظ أن قضيب الحديد قد طال قليلاً عندما تم تغناطيسته طوليًا، وأصبح أقصر قليلاً عندما تم تغناطيسته عرضيًا. يُعرف هذا الظاهرة باسم تأثير جول، ويحدث في معظمالمواد المغناطيسية (المواد التي يمكن تغناطيستها بواسطة حقل خارجي) وبعض المواد الفيريماغنتية (المواد التي تحتوي على شبكتين مغناطيسيتين متضادتين).
يعود السبب الفيزيائي للتمدد المغناطيسي إلى البنية الداخلية للمواد المغناطيسية، والتي تتكون من المناطق الدقيقة المعروفة باسم المجالات. لكل مجال اتجاه مغناطيسية موحد، والذي يتم تحديده بالتزامن بين طاقة الانيازية المغناطيسية (ميل المادة لتوجيه مغناطيستها على اتجاهات بلورية معينة) وطاقة المغناطيسية الثابتة (ميل المادة لتقليل الأقطاب المغناطيسية).
عند تطبيق حقل مغناطيسي خارجي على مادة مغناطيسية، فإنه يمارس عزم دوران على المجالات، مما يؤدي إلى دورانها وتوجهها في اتجاه الحقل. يشمل هذا العملية حركة جدران المجال (الحدود بين المجالات ذات الاتجاهات المغناطيسية المختلفة) وتشوه شبكة البلور (ترتيبالذرات في المادة). نتيجة لذلك، تتغير المادة في شكلها أو أبعادها وفقًا لتوترها المغناطيسي (التغيير النسبي في الطول أو الحجم بسبب التمدد المغناطيسي).
يعتمد التوتر المغناطيسي على عدة عوامل، مثل:
حجم واتجاه الحقل المغناطيسي المطبق
المغناطيسية التشبعية (أقصى مغناطيسية ممكنة) للمادة
الانيازية المغناطيسية (التفضيل لاتجاهات مغناطيسية معينة) للمادة
الربط المغناطيسيا-المرنة (التفاعل بين المغناطيسية والتوتر المرن) للمادة
درجة الحرارة وحالة الإجهاد للمادة
يمكن أن يكون التوتر المغناطيسي إيجابيًا أو سلبيًا، بحسب ما إذا كانت المادة تتمدد أو تتقلص عند تغناطيستها. تظهر بعض المواد عكسًا في إشارة التوتر المغناطيسي عند تعرضها لحقول مغناطيسية عالية، وهو ما يعرف بعكس فيلاري.
يمكن قياس التوتر المغناطيسي بواسطة طرق مختلفة، مثل التداخل الضوئي،المقاييس الشد،المتحولات الفيوزوكهربائية، أو التقنيات الرنينية. أحد أهم المعلمات المستخدمة لتوصيف التمدد المغناطيسي هو معامل التمدد المغناطيسي (المعروف أيضًا باسم معامل جول)، والذي يُعرَف بأنه:
λ=LΔL
حيث ΔL هو التغيير في طول المادة عند تغناطيستها من الصفر إلى التشبع، و L هو طولها الأصلي.
المواد المغناطيسية المتمددة
هناك العديد من المواد التي تظهر التمدد المغناطيسي، ولكن بعضها يمتلك قيم أعلى وأداء أفضل من غيرها. فيما يلي بعض أمثلة المواد المغناطيسية المتمددة:
الحديد: يعتبر الحديد من أكثر المواد المغناطيسية المتمددة شيوعًا واستخدامًا، بسبب مغناطيسته العالية التشبعية وانخفاض تكلفته. ومع ذلك، فإن الحديد يحتوي أيضًا على بعض العيوب، مثل معامل التمدد المغناطيسي المنخفض (حوالي 20 جزءًا في المليون)، وفقدان الهيستريس العالي (الطاقة المهدرة خلال كل دورة من التغناطيس)، وفقدان التيار الدوار العالي (الطاقة المهدرة بسبب التيار الدوار المتولد في المواد الموصلة داخل المادة). كما أن الحديد له درجة حرارة كوري منخفضة (درجة الحرارة التي فوقها تفقد المادة خصائصها المغناطيسية)، مما يحد من استخدامه في التطبيقات ذات الحرارة العالية.
النيكل: يمتلك النيكل معامل تمدد مغناطيسي أعلى من الحديد (حوالي 60 جزءًا في المليون)، ولكنه أيضًا يمتلك فاقد هيستريس أعلى وفقدان تيار دوار أعلى. كما أن النيكل له درجة حرارة كوري منخفضة (حوالي 360 درجة مئوية) وعرضة للتآكل.
الكوبلت: يمتلك الكوبلت معامل تمدد مغناطيسي معتدل (حوالي 30 جزءًا في المليون)، ولكن مغناطيسية تشبعية عالية ودرجة حرارة كوري عالية (حوالي 1120 درجة مئوية). كما أن الكوبلت يمتلك فاقد هيستريس وفقدان تيار دوار منخفضين، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات ذات التردد العالي.
سبائك الحديد والألومنيوم (ألفير): تمتلك هذه السبيكة معامل تمدد مغناطيسي عالي (حوالي 100 جزءًا في المليون)، ومغناطيسية تشبعية عالية، ودرجة حرارة كوري عالية (حوالي 800 درجة مئوية). كما أنها تمتلك فاقد هيستريس وفقدان تيار دوار منخفضين، وخواص ميكانيكية جيدة. ومع ذلك، فإنها صعبة التصنيع وتتطلب معالجة حرارية خاصة.
سبائك الحديد والنيكل (بيرمالوي): تمتلك هذه السبيكة معامل تمدد مغناطيسي منخفض (حوالي 1 جزءًا في المليون)، ولكن مغناطيسية تشبعية عالية ومنفذية عالية (قدرة المادة على دعم حقل مغناطيسي داخلي). كما أنها تمتلك فاقد هيستريس وفقدان تيار دوار منخفضين، مما يجعلها مثالية للحجب المغناطيسي والتطبيقات التسجيلية.
سبائك الكوبلت والنيكل: تمتلك هذه السبيكة معامل تمدد مغناطيسي معتدل (حوالي 20 جزءًا في المليون)، ولكن مغناطيسية تشبعية عالية ودرجة حرارة كوري عالية (حوالي 950 درجة مئوية). كما أنها تمتلك فاقد هيستريس وفقدان تيار دوار منخفضين، ومقاومة جيدة للتآكل.
سبائك الحديد والكوبلت: تمتلك هذه السبيكة معامل تمدد مغناطيسي معتدل (حوالي 30 جزءًا في المليون)، ولكن مغناطيسية تشبعية عالية جدًا ودرجة حرارة كوري عالية (حوالي 980 درجة مئوية). كما أنها تمتلك فاقد هيستريس وفقدان تيار دوار منخفضين، وخواص ميكانيكية جيدة.
سبائك الكوبلت والحديد والفاناديوم (بيرماندور): تمتلك هذه السبيكة معامل تمدد مغناطيسي منخفض (حوالي 5 أجزاء في المليون)، ولكن مغناطيسية تشبعية عالية جدًا ودرجة حرارة كوري عالية جدًا (حوالي 1400 درجة مئوية). كما أنها تمتلك فاقد هيستريس وفقدان تيار دوار منخفضين، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات ذات القوة العالية.
الفيريتات: هي مواد سيراميكية مكونة من أكاسيد الحديد وغيرها من أكاسيد الفلزات، مثل أكسيد الكوبالت أو أكسيد النيكل. تمتلك معاملات تمدد مغناطيسي منخفضة (أقل من 10 أجزاء في المليون)، ولكن أيضًا مغناطيسية تشبعية ومنفذية منخفضتين. تمتلك فقدان هيستريس وفقدان تيار دوار منخفضين جدًا، مما يجعلها مثالية للتطبيقات ذات التردد العالي. كما أنها تمتلك درجات حرارة كوري عالية (فوق 400 درجة مئوية) ومقاومة جيدة للتآكل.
الأرضيات النادرة: هي عناصر ذات أعداد ذرية من 57 إلى 71، مثل اللانتان والسيريوم والنديم والسماريوم والغادولينيوم والتربيوم والديسبروزيوم والهولميوم والإربيوم والتوليميوم واليتربيوم أو اللوتتيوم. تمتلك معاملات تمدد مغناطيسي عالية جدًا (تصل إلى 1000 جزء في المليون)، ولكن أيضًا فقدان هيستريس وفقدان تيار دوار عاليين. تمتلك مغناطيسية تشبعية ومنفذية معتدلة، ولكن درجات حرارة كوري منخفضة (أقل من 300 درجة مئوية). غالبًا ما تستخدم بالاشتراك مع الفلزات الأخرى أو المركبات لتشكيل سبائك أو مركبات بين الفلزات ذات خصائص محسنة.
تيرفنول-D: هو مركب بين الفلزات مكون من التربيوم والحديد والديسبروزيوم. يمتلك أعلى معامل تمدد مغناطيسي تم تسجيله (حوالي 2000 جزء في المليون)، مما يعني أنه يمكن أن ينتج توترات كبيرة عند تغناطيسته. كما أنه يمتلك مغناطيسية تشبعية عالية ودرجة حرارة كوري عالية (حوالي 380 درجة مئوية). ومع ذلك، فإنه يمتلك أيضًا فقدان هيستريس وفقدان تيار دوار عاليين، مما يحد من كفاءته ومداه الترددي. كما أنه يحتاج إلى حقل مغناطيسي عالٍ (حوالي 800 كا/م) للوصول إلى أقصى توتر، مما يزيد من استهلاكه للطاقة وتكلفته.
غالفنول: هو سبيكة من الحديد والجاليوم، بتركيب حوالي Fe81Ga19. يمتلك معامل تمدد مغناطيسي معتدل (حوالي 250 جزءًا في المليون)، ولكن فقدان هيستريس وفقدان تيار دوار منخفضين جدًا، مما يجعله أكثر كفاءة ومتانة من تيرفنول-D. كما أنه يمتلك مغناطيسية تشبعية عالية ودرجة حرارة كوري عالية (حوالي 700 درجة مئوية). يمكنه العمل في حقول مغناطيسية منخفضة (حوالي 100 كا/م) وترددات عالية (تصل إلى 10 كيلوهرتز).
متغلس: هو زجاج معدني مكون من الحديد والبورون والسيلكون والعناصر الأخرى. يمتلك معامل تمدد مغناطيسي منخفض (حوالي 20 جزءًا في المليون)، ولكن مغناطيسية تشبعية ومنفذية عالية جدًا. كما أنه يمتلك فقدان هيستريس وفقدان تيار دوار منخفضين جدًا، مما يجعله مثاليًا للحجب المغناطيسي وتطبيقات تحويل الطاقة.
تطبيقات التمدد المغناطيسي
للتمدد المغناطيسي العديد من التطبيقات في مجالات مختلفة، مثل:
المشغلات: هي أجهزة تقوم بتحويل الطاقة الكهربائية إلى حركة ميكانيكية، أو العكس. تعمل المشغلات المغناطيسية المتمددة باستخدام المواد المغناطيسية المتمددة لإنتاج حركة خطية أو دائرية عند تعرضها لحقل مغناطيسي أو لإنتاج حقل مغناطيسي عند تعرضها للإجهاد الميكانيكي. تتمتع المشغلات المغناطيسية المتمددة بمزايا على أنواع أخرى من المشغلات، مثلالمشغلات الفيوزوكهربائية أو المشغلات الكهروستاتيكية، من حيث القوة الأعلى، النقل الأكبر، الاستجابة الأسرع، استهلاك الطاقة الأقل، التصميم البسيط، والحياة الأطول.
الحساسات: هي أجهزة تقوم بقياس الكميات الفيزيائية، مثل القوة، الضغط، درجة الحرارة، النقل، أو الحقل المغناطيسي. تستخدم الحساسات المغناطيسية المتمددة المواد المغناطيسية المتمددة للكشف عن التغييرات في هذه الكميات عن طريق قياس التوتر أو المغناطيسية المحمولة في المادة. تتمتع الحساسات المغناطيسية المتمددة بمزايا على أنواع أخرى من الحساسات، مثلالمقاييس الشد أو الحساسات السعة، من حيث الحساسية الأعلى، الدقة، الاستقرار، الموثوقية، والمتانة.
المتحولات: هي أجهزة تقوم بتحويل نوع من الطاقة إلى آخر، مثل الصوت أو الموجات فوق الصوتية. تستخدم المتحولات المغناطيسية المتمددة المواد المغناطيسية المتمددة لإنتاج أو استقبال الموجات الصوتية عن طريق تطبيق أو اكتشاف حقل مغناطيسي على المادة. تتمتع المتحولات المغناطيسية المتمددة بمزايا علىأنواع أخرى من المتحولات، مثل المتحولات الفيوزوكهربائية
