Magnetická hystereze

Víme, že magnetický tok generovaný elektromagnetickou cívkou je množství magnetického pole nebo siločar vytvářených v dané oblasti a že se častěji nazývá „hustota toku“. Je dán symbol B, přičemž jednotkou hustoty toku je Tesla, T.

Z předchozích učebních textů také víme, že intenzita magnetického pole elektromagnetu závisí na počtu závitů cívky, na proudu protékajícím cívkou nebo na druhu použitého materiálu jádra, a pokud zvýšíme buď proud, nebo počet závitů, můžeme zvýšit intenzitu magnetického pole, symbol H.

Dříve byla relativní permeabilita, symbol μr, definována jako poměr absolutní permeability μ a permeability volného prostoru μo (vakua) a byla dána jako konstanta. Vztah mezi hustotou magnetického toku B a intenzitou magnetického pole H však lze definovat tak, že relativní permeabilita μr není konstantní, ale je funkcí intenzity magnetického pole, čímž je hustota magnetického toku dána jako: B = μ H.

Poté se hustota magnetického toku v materiálu zvýší o větší faktor v důsledku jeho relativní permeability pro materiál ve srovnání s hustotou magnetického toku ve vakuu, μoH a pro cívku se vzduchovým jádrem je tento vztah dán jako:

Pro feromagnetické materiály tedy poměr hustoty toku k intenzitě pole ( B/H ) není konstantní, ale mění se s hustotou toku. U cívek se vzduchovým jádrem nebo jádrem z jakéhokoliv nemagnetického prostředí, jako jsou dřeva nebo plasty, však lze tento poměr považovat za konstantu a tato konstanta se nazývá μo, permeabilita volného prostoru, ( μo = 4.π.10-7 H/m ).

Při vykreslení hodnot hustoty toku ( B ) v závislosti na intenzitě pole ( H ) můžeme pro každý typ použitého materiálu jádra vytvořit soubor křivek nazývaných magnetizační křivky, křivky magnetické hystereze nebo častěji křivky B-H, jak je uvedeno níže.

Křivka magnetizace nebo B-H

Výše uvedený soubor křivek magnetizace, M představuje příklad vztahu mezi B a H pro jádra z měkkého železa a oceli, ale každý typ materiálu jádra bude mít svůj vlastní soubor křivek magnetické hystereze. Můžete si všimnout, že hustota magnetického toku roste úměrně intenzitě pole, dokud nedosáhne určité hodnoty, kdy se již nemůže dále zvyšovat a stává se téměř rovnoměrnou a konstantní, jak intenzita pole dále roste.

To je proto, že existuje limit pro velikost hustoty magnetického toku, kterou může jádro generovat, protože všechny domény v železe jsou dokonale vyrovnané. Jakékoli další zvyšování nebude mít na hodnotu M žádný vliv a bod na grafu, kde hustota toku dosáhne svého limitu, se nazývá magnetické nasycení známé také jako nasycení jádra a v našem jednoduchém příkladu výše začíná bod nasycení ocelové křivky přibližně při 3000 ampér-otáčkách na metr.

Nasycení nastává, protože, jak si pamatujeme z předchozího výukového kurzu magnetismu, který obsahoval Weberovu teorii, náhodné nahodilé uspořádání struktury molekul v materiálu jádra se mění, jak se drobné molekulární magnety v materiálu „seřazují“.

Při zvyšování intenzity magnetického pole, ( H ) se tyto molekulární magnety stále více vyrovnávají, až dosáhnou dokonalého vyrovnání, které vytváří maximální hustotu toku, a jakékoli zvýšení intenzity magnetického pole v důsledku zvýšení elektrického proudu protékajícího cívkou bude mít malý nebo žádný vliv.

Retentivita

Předpokládejme, že máme elektromagnetickou cívku s vysokou intenzitou pole díky proudu, který jí protéká, a že feromagnetický materiál jádra dosáhl bodu nasycení, maximální hustoty toku. Pokud nyní otevřeme spínač a odstraníme magnetizační proud protékající cívkou, očekávali bychom, že magnetické pole kolem cívky zmizí, protože magnetický tok se sníží na nulu.

Magnetický tok však nezmizí úplně, protože elektromagnetický materiál jádra si stále zachovává část svého magnetismu, i když v cívce přestal protékat proud. Tato schopnost cívky zachovat si část svého magnetismu v jádře poté, co se proces magnetizace zastavil, se nazývá retenzivita nebo remanence, zatímco množství hustoty toku, které v jádře stále zůstává, se nazývá zbytkový magnetismus, BR .

Důvodem je, že některé drobné molekulární magnety se nevracejí do zcela náhodného uspořádání a stále směřují ve směru původního magnetizačního pole, což jim dává jakousi „paměť“. Některé feromagnetické materiály mají vysokou retenční schopnost (magneticky tvrdé), takže jsou vynikající pro výrobu permanentních magnetů.

Naopak jiné feromagnetické materiály mají nízkou retenční schopnost (magneticky měkké), takže jsou ideální pro použití v elektromagnetech, solenoidech nebo relé. Jedním ze způsobů, jak snížit tuto zbytkovou hustotu magnetického toku na nulu, je obrátit směr proudu protékajícího cívkou, čímž se hodnota H, intenzita magnetického pole, stane zápornou. Tento jev se nazývá koercitivní síla, HC .

Pokud tento zpětný proud dále zvýšíme, bude se hustota toku zvyšovat i v opačném směru, dokud feromagnetické jádro opět nedosáhne nasycení, ale v opačném směru než předtím. Snížením magnetizačního proudu i opět na nulu vznikne podobné množství zbytkového magnetismu, ale v opačném směru.

Pokud se bude neustále měnit směr magnetizačního proudu cívkou z kladného směru na záporný, jako by tomu bylo v případě střídavého napájení, lze vytvořit magnetickou hysterezní smyčku feromagnetického jádra.

Magnetická hysterezní smyčka

Výše uvedená magnetická hysterezní smyčka graficky znázorňuje chování feromagnetického jádra, protože vztah mezi B a H je nelineární. Začneme-li s nemagnetizovaným jádrem, budou B i H na nulové hodnotě, tedy v bodě 0 na magnetizační křivce.

Zvětšíme-li magnetizační proud i v kladném směru na určitou hodnotu, intenzita magnetického pole H se lineárně zvětší s i a hustota toku B se také zvětší, jak ukazuje křivka z bodu 0 do bodu a, jak směřuje k nasycení.

Snížíme-li nyní magnetizační proud v cívce na nulu, zmenší se na nulu i magnetické pole obíhající kolem jádra. Magnetický tok cívky však nedosáhne nuly kvůli zbytkovému magnetismu přítomnému v jádře, což je znázorněno na křivce z bodu a do bodu b.

Aby se hustota magnetického toku v bodě b snížila na nulu, musíme obrátit proud protékající cívkou. Magnetizační síla, která musí působit, aby se nulovala zbytková hustota toku, se nazývá „donucovací síla“. Tato koercitivní síla obrátí magnetické pole a znovu uspořádá molekulární magnety, dokud se jádro nezmagnetuje v bodě c.

Zvýšení tohoto zpětného proudu způsobí zmagnetování jádra v opačném směru a další zvýšení tohoto magnetizačního proudu způsobí, že jádro dosáhne bodu nasycení, ale v opačném směru, tedy v bodě d na křivce.

Tento bod je symetrický k bodu b. Jestliže se magnetizační proud opět sníží na nulu, bude zbytkový magnetismus přítomný v jádře roven předchozí hodnotě, ale v opačném směru v bodě e.

Znovu obrácení magnetizačního proudu protékajícího cívkou tentokrát do kladného směru způsobí, že magnetický tok dosáhne nuly, tedy bodu f na křivce, a stejně jako předtím další zvýšení magnetizačního proudu v kladném směru způsobí, že jádro dosáhne nasycení v bodě a.

Křivka B-H pak sleduje průběh a-b-c-d-e-f-a, protože magnetizační proud protékající cívkou střídá kladné a záporné hodnoty, jako je cyklus střídavého napětí. Tento průběh se nazývá magnetická hysterezní smyčka.

Efekt magnetické hystereze ukazuje, že proces magnetizace feromagnetického jádra, a tedy i hustota toku, závisí na tom, na které části křivky je feromagnetické jádro zmagnetováno, protože to závisí na minulé historii obvodů, což dává jádru určitou formu „paměti“. Feromagnetické materiály pak mají paměť, protože zůstávají zmagnetované i po odstranění vnějšího magnetického pole.

Měkké feromagnetické materiály, jako je železo nebo křemíková ocel, však mají velmi úzké magnetické hysterezní smyčky, což vede k velmi malému množství zbytkového magnetismu, takže jsou ideální pro použití v relé, solenoidech a transformátorech, protože je lze snadno zmagnetovat a odmagnetovat.

Pro překonání tohoto zbytkového magnetismu musí být použita donucovací síla, proto musí být při uzavírání hysterezní smyčky vykonána práce, přičemž použitá energie se v magnetickém materiálu rozptýlí jako teplo. Toto teplo se nazývá hysterezní ztráta, jejíž velikost závisí na hodnotě koercitivní síly materiálu.

Přidáním přísad do kovového železa, například křemíku, lze vyrobit materiály s velmi malou koercitivní silou, které mají velmi úzkou hysterezní smyčku. Materiály s úzkou hysterezní smyčkou se snadno magnetizují a demagnetizují a jsou známy jako měkké magnetické materiály.

Magnetické hysterezní smyčky pro měkké a tvrdé materiály

Magnetická hystereze vede k rozptylu ztracené energie ve formě tepla, přičemž ztracená energie je úměrná ploše magnetické hysterezní smyčky. Hysterezní ztráty budou vždy problémem u střídavých transformátorů, kde proud neustále mění směr, a proto magnetické póly v jádře způsobují ztráty, protože neustále mění směr.

Rotující cívky ve stejnosměrných strojích také způsobují hysterezní ztráty, protože střídavě procházejí severním a jižním magnetickým pólem. Jak již bylo řečeno, tvar hysterezní smyčky závisí na povaze použitého železa nebo oceli a v případě železa, které je vystaveno masivnímu přepólování magnetismu, například u jader transformátorů, je důležité, aby hysterezní smyčka B-H byla co nejmenší.

V příštím učivu o elektromagnetismu se budeme zabývat Faradayovým zákonem elektromagnetické indukce a uvidíme, že pohybem vodiče ve stacionárním magnetickém poli je možné ve vodiči indukovat elektrický proud a vytvořit tak jednoduchý generátor.

.