التقلص المغناطيسي والمحولات

هل سبق لك أن وقفت بالقرب من محول كهربائي؟ لا بد أنك لاحظت على الأرجح طنيناً سائداً منخفض التردد. إنه ليس أكثر من مجرد إزعاج بسيط، لكن هذا الصوت هو التوقيع المسموع لتأثير فيزيائي مثير للاهتمام: الاحتكاك المغناطيسي. هذا التأثير مهم، ليس فقط لفهم تشغيل المحولات، ولكن أيضًا للمسائل المتعلقة بالكفاءة والتصميم واختيار المواد في الهندسة الكهربائية.

فهم الاحتكاك المغناطيسي

الاحتكاك المغناطيسي هو خاصية للمواد المغناطيسية الحديدية حيث يؤدي التغير في المغنطة إلى إجهاد ميكانيكي؛ حيث تتمدد المادة أو تنكمش قليلاً مع محاذاة المجالات المغناطيسية مع المجال المغناطيسي المطبق. وبوجه عام، تتكون نوى المحولات من صفائح فولاذية من السيليكون تكون مغناطيسية للغاية وبالتالي تكون عرضة لتأثيرات الاحتكاك المغناطيسي.

عندما يتدفق تيار متناوب عبر الملف الابتدائي للمحول الكهربائي، فإنه ينشئ مجالًا مغناطيسيًا متناوبًا في القلب. وتتحول المجالات المغناطيسية داخل الفولاذ وتتماشى بشكل متكرر مع المجال المتغير؛ ويحدث هذا التمدد والانكماش المتكرر للمادة عند ضعف تردد مصدر طاقة التيار المتردد. إذا كانت الطاقة القياسية 60 هرتز في أمريكا، فإن القلب الفولاذي يهتز عند 120 هرتز ويصدر الطنين المميز.

من المجالات المجهرية إلى الضوضاء المسموعة

على النطاق المجهري، ينطوي الأمر على حركة جدار المجال: المجالات المغناطيسية هي أحجام صغيرة تشير فيها جميع العزوم المغناطيسية الذرية في اتجاه واحد. ومع دوران اتجاه المجال الخارجي، تدور المجالات أو تنزاح استجابةً لذلك، وفي ظل هذا التأثير، تحدث تغيرات دقيقة في أبعاد الشبكة البلورية للمادة الأساسية. وعلى الرغم من أن كل تغيير فردي ضئيل للغاية - أقل من 0.1% من الإجهاد - إلا أن التأثير الصافي على قلب محول كبير يمكن أن يكون كافياً لإنتاج اهتزازات في صفائح الحديد.

وتنتقل هذه الاهتزازات إلى خزان المحول الفولاذي والهيكل المحيط به، والذي يعمل أيضًا كجسم رنان يضخم الصوت. والنتيجة هي الطنين الشائع جدًا في المنازل والمكاتب والأماكن الصناعية. يمكن أن تختلف شدة الطنين اعتمادًا على حجم المحول وبنية القلب وحتى جودة مواد التركيب والعزل.

العوامل المادية والاحتكاك المغناطيسي

لا تصدر جميع قلوب المحولات طنينًا متشابهًا. يختلف مقدار الاحتكاك المغناطيسي باختلاف:

1- تركيب المواد الأساسية: يحتوي الفولاذ الكهربائي القياسي على حوالي 3% من السيليكون، والذي يزيد من المقاومة ويقلل من خسائر التيار الدوامي ويقلل من الاحتكاك المغناطيسي. توفر محتويات السيليكون الأعلى عمومًا سلالات أقل من التقبض المغناطيسي وبالتالي تشغيل أكثر هدوءًا.

2. اتجاه الحبوب: يتم تصنيع فولاذ السيليكون الموجه نحو الحبوب، الذي يشار إليه عادةً باسم GOSS، بطريقة تجعل المحاور البلورية تتماشى مع اتجاه التدفق المغناطيسي؛ وبالتالي، فإنه يقلل من الخسائر والاهتزازات الميكانيكية.

3. سماكة التصفيح: تقلل التصفيحات الرقيقة - حوالي 0.35 مم للمحولات القياسية - من التيارات الدوامة وتوزع التأثيرات المغناطيسية بشكل متساوٍ.

4. التركيب الميكانيكي: يقلل التثبيت والتخميد المناسب للتصفيح والخزان من انتقال الاهتزاز، وبالتالي الطنين المسموع.

الآثار الهندسية

الاحتكاك المغناطيسي ليس مجرد فضول صوتي؛ بل له عواقب هندسية عملية. يمكن أن تؤدي الاهتزازات الناجمة عن الاحتكاك المغناطيسي إلى:

- الإجهاد الميكانيكي: قد يؤدي التمدد والانكماش المتكرر في نهاية المطاف إلى إجهاد البراغي أو التصفيح أو العزل بمرور الوقت.

- فقدان الطاقة: على الرغم من ضآلتها، يتم تحويل بعض الطاقة من كهربائية إلى ميكانيكية وفي النهاية إلى حرارة أو صوت، مما يقلل قليلاً من كفاءة المحولات.

- التلوث الضوضائي: يمكن أن تصبح همهمة المحولات في المناطق الحضرية عامل تهييج وقد تصبح مشكلة تنظيمية، وأكثر من ذلك مع محولات التوزيع الكبيرة.

يتم تقليل هذه التأثيرات من خلال استخدام نوى منخفضة الضوضاء ومواد تخميد أفضل وتقنيات تصفيح محسنة من قبل المهندسين. كما تستخدم بعض المحولات الحديثة أيضًا نوى معدنية غير متبلورة؛ حيث تؤدي بنيتها الذرية غير المتبلورة إلى تقليل الاحتكاك المغناطيسي بشكل كبير، وبالتالي تشغيل أكثر هدوءًا وكفاءة.

مزيد من القراءة: الطاقة الكهرومغناطيسية المغناطيسية: الأساسيات والتطبيقات

قياس الاحتكاك المغناطيسي ونمذجته

يدرس المهندسون والباحثون الاحتكاك المغناطيسي من خلال مقاييس الإجهاد وقياس الاهتزاز بالليزر وتصميمات هندسية كهربائية مغناطيسية. تمكّن هذه الأدوات من قياس الإجهاد المغناطيسي وسعة الاهتزاز بدقة عالية، مما يسمح بتحسين تصميم النواة قبل التصنيع. على سبيل المثال، يمكن ل FEM محاكاة كيفية تأثير التغييرات في سُمك التصفيح أو هندسة القلب أو تركيبة السبيكة على الاهتزاز والضوضاء المسموعة.

ما وراء المحولات

لا يقتصر الاحتكاك المغناطيسي على المحولات. فهو يلعب دورًا في المحركات الكهربائية وأجهزة الاستشعار والمشغلات وأجهزة السونار، حيث يتم استغلال تأثيرات التقبض المغناطيسي المتحكم بها من أجل حركة ميكانيكية دقيقة. ويوفر فهم الاحتكاك المغناطيسي داخل المحولات الأساس لتصميم أجهزة أخرى تستخدم الاقتران المغناطيسي الميكانيكي.

الخاتمة

هذا الطنين المألوف الصادر من المحولات هو أكثر بكثير من مجرد ضوضاء في الخلفية؛ فهو مظهر مسموع من مظاهر الاحتكاك المغناطيسي - وهو إعادة ترتيب مجهري للمجالات المغناطيسية التي تنتج اهتزازات عيانية. ومن خلال دراسة خواص المواد وتصميم النواة واستراتيجيات التركيب، يمكن للمهندسين تقليل الطنين وتحسين الكفاءة وإطالة عمر المحولات.

يعمل الاحتكاك المغناطيسي على تذكيرنا بأنه حتى في عالم الأصوات المبتذلة إلى حد ما، غالبًا ما يكون هناك أساس علمي مثير للاهتمام، والذي يربط بهدوء بين علم المواد والفيزياء والهندسة الكهربائية بطريقة مهمة ولكن غير واضحة. في المرة القادمة التي تسمع فيها همهمة محول كهربائي، تذكر: إنها ليست مجرد ضوضاء، بل هي فيزياء تعمل. لمزيد من المعلومات، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).