Magnetisk hysterese

Vi ved, at den magnetiske flux, der genereres af en elektromagnetisk spole, er mængden af magnetfelt eller kraftlinjer, der produceres inden for et givet område, og at den mere almindeligt kaldes “fluxtæthed”. Givet symbolet B, hvor enheden for fluxtæthed er Tesla, T.

Vi ved også fra de foregående øvelser, at den magnetiske styrke af en elektromagnet afhænger af antallet af vindinger i spolen, strømmen, der løber gennem spolen, eller den type kernemateriale, der anvendes, og hvis vi øger enten strømmen eller antallet af vindinger, kan vi øge den magnetiske feltstyrke, symbolet H.

Tidligere blev den relative permeabilitet, symbol μr, defineret som forholdet mellem den absolutte permeabilitet μ og permeabiliteten i det frie rum μo (et vakuum), og denne blev angivet som en konstant. Forholdet mellem fluxtætheden B og den magnetiske feltstyrke H kan imidlertid defineres ved, at den relative permeabilitet μr ikke er en konstant, men en funktion af magnetfeltets styrke, hvorved den magnetiske fluxtæthed fås som: B = μ H.

Så vil den magnetiske fluxtæthed i materialet blive forøget med en større faktor som følge af den relative permeabilitet for materialet sammenlignet med den magnetiske fluxtæthed i vakuum, μoH, og for en spole med luftkappe er dette forhold givet som:

Så for ferromagnetiske materialer er forholdet mellem fluxtæthed og feltstyrke ( B/H ) ikke konstant, men varierer med fluxtætheden. For spoler med luftkerne eller enhver ikke-magnetisk mediumkerne som f.eks. træ eller plast kan dette forhold imidlertid betragtes som en konstant, og denne konstant er kendt som μo, det frie rums permeabilitet, ( μo = 4.π.10-7 H/m ).

Gennem at plotte værdierne af fluxtætheden ( B ) mod feltstyrken ( H ) kan vi fremstille et sæt kurver kaldet magnetiseringskurver, magnetiske hysteresekurver eller mere almindeligt B-H-kurver for hver type anvendt kernemateriale, som vist nedenfor.

Magnetiserings- eller B-H-kurve

Sættet af magnetiseringskurver, M ovenfor repræsenterer et eksempel på forholdet mellem B og H for bløde jern- og stålkerner, men hver type kernemateriale vil have sit eget sæt af magnetiske hysteresekurver. Du vil måske bemærke, at fluxtætheden stiger i forhold til feltstyrken, indtil den når en vis værdi, hvor den ikke kan stige mere og bliver næsten jævn og konstant, efterhånden som feltstyrken fortsætter med at stige.

Dette skyldes, at der er en grænse for den mængde fluxtæthed, der kan genereres af kernen, da alle domæner i jernet er perfekt justeret. Enhver yderligere stigning vil ikke have nogen effekt på værdien af M, og det punkt på grafen, hvor fluxtætheden når sin grænse, kaldes magnetisk mætning også kendt som kernens mætning, og i vores enkle eksempel ovenfor begynder mætningspunktet på stålkurven ved ca. 3000 ampere-omdrejninger pr. meter.

Mætning opstår, fordi, som vi husker fra den tidligere magnetisme-vejledning, der omfattede Webers teori, ændres den tilfældige tilfældige tilfældige placering af molekylstrukturen i kernematerialet, efterhånden som de små molekylære magneter i materialet bliver “linet op”.

Da den magnetiske feltstyrke, ( H ) stiger, bliver disse molekylære magneter mere og mere justeret, indtil de når perfekt justering, der producerer maksimal flodtæthed, og enhver forøgelse af den magnetiske feltstyrke som følge af en stigning i den elektriske strøm, der flyder gennem spolen, vil have lille eller ingen effekt.

Retentivitet

Lad os antage, at vi har en elektromagnetisk spole med en høj feltstyrke som følge af den strøm, der flyder gennem den, og at det ferromagnetiske kernemateriale har nået sit mætningspunkt, maksimal flodtæthed. Hvis vi nu åbner en kontakt og fjerner den magnetiserende strøm, der flyder gennem spolen, ville vi forvente, at det magnetiske felt omkring spolen forsvinder, da den magnetiske flux reduceres til nul.

Den magnetiske flux forsvinder imidlertid ikke helt, da det elektromagnetiske kernemateriale stadig bevarer en del af sin magnetisme, selv når strømmen er ophørt med at flyde i spolen. Denne evne for en spole til at bevare noget af sin magnetisme i kernen, efter at magnetiseringsprocessen er stoppet, kaldes Retentivitet eller remanens, mens den mængde af fluxtæthed, der stadig er tilbage i kernen, kaldes Residual Magnetism, BR .

Grunden hertil er, at nogle af de små molekylære magneter ikke vender tilbage til et helt tilfældigt mønster og stadig peger i retning af det oprindelige magnetiseringsfelt, hvilket giver dem en slags “hukommelse”. Nogle ferromagnetiske materialer har en høj retentivitet (magnetisk hårde), hvilket gør dem fremragende til fremstilling af permanente magneter.

Mens andre ferromagnetiske materialer har en lav retentivitet (magnetisk bløde), hvilket gør dem ideelle til brug i elektromagneter, solenoider eller relæer. En måde at reducere denne restfluxtæthed til nul er ved at vende retningen af den strøm, der løber gennem spolen, og derved gøre værdien af H, den magnetiske feltstyrke, negativ. Denne effekt kaldes en koercitiv kraft, HC .

Hvis denne omvendte strøm øges yderligere, vil fluxtætheden også stige i den omvendte retning, indtil den ferromagnetiske kerne igen når mætning, men i den omvendte retning fra før. Hvis magnetiseringsstrømmen i igen reduceres til nul, vil der opstå en tilsvarende mængde restmagnetisme, men i den modsatte retning.

Så kan der ved konstant at ændre magnetiseringsstrømmens retning gennem spolen fra en positiv retning til en negativ retning, som det ville være tilfældet i en vekselstrømsforsyning, frembringes en magnetisk hysteresesløjfe i den ferromagnetiske kerne.

Magnetisk hysteresesløjfe

Den magnetiske hysteresesløjfe ovenfor viser en ferromagnetisk kernes adfærd grafisk, da forholdet mellem B og H er ikke-lineært. Hvis man starter med en umagnetiseret kerne, vil både B og H være på nul, punkt 0 på magnetiseringskurven.

Hvis magnetiseringsstrømmen i øges i positiv retning til en vis værdi, stiger magnetfeltstyrken H lineært med i, og fluxtætheden B vil også stige, som det fremgår af kurven fra punkt 0 til punkt a, når den bevæger sig mod mætning.

Hvis magnetiseringsstrømmen i spolen nu reduceres til nul, reduceres det magnetiske felt, der cirkulerer omkring kernen, også til nul. Spolens magnetiske flux vil imidlertid ikke nå nul på grund af den resterende magnetisme, der er til stede i kernen, og dette er vist på kurven fra punkt a til punkt b.

For at reducere fluxdensiteten i punkt b til nul skal vi vende den strøm, der løber gennem spolen, om. Den magnetiseringskraft, der skal påføres for at nulstille den resterende fluxtæthed, kaldes en “koercitiv kraft”. Denne koercitive kraft vender magnetfeltet om og omarrangerer de molekylære magneter, indtil kernen bliver umagnetiseret i punkt c.

En forøgelse af denne omvendte strøm får kernen til at blive magnetiseret i den modsatte retning, og en yderligere forøgelse af denne magnetiseringsstrøm vil få kernen til at nå sit mætningspunkt, men i den modsatte retning, punkt d på kurven.

Dette punkt er symmetrisk med punkt b. Hvis magnetiseringsstrømmen igen reduceres til nul, vil den resterende magnetisme, der er til stede i kernen, være lig med den tidligere værdi, men i omvendt retning ved punkt e.

Ved omvendt magnetiseringsstrømmen, der løber gennem spolen, denne gang i positiv retning, vil den magnetiske flux nå nul, punkt f på kurven, og som før vil en yderligere forøgelse af magnetiseringsstrømmen i positiv retning få kernen til at nå mætning ved punkt a.

Derpå følger B-H-kurven banen a-b-c-c-d-d-e-f-a, idet magnetiseringsstrømmen, der løber gennem spolen, skifter mellem en positiv og negativ værdi, som f.eks. cyklusen for en vekselspænding. Denne bane kaldes en magnetisk hysteresesløjfe.

Den magnetiske hystereseeffekt viser, at magnetiseringsprocessen i en ferromagnetisk kerne og dermed fluxtætheden afhænger af, hvilken del af kurven den ferromagnetiske kerne magnetiseres på, da dette afhænger af kredsløbets tidligere historie, hvilket giver kernen en form for “hukommelse”. Så ferromagnetiske materialer har hukommelse, fordi de forbliver magnetiserede, efter at det ydre magnetfelt er blevet fjernet.

Midlertid har bløde ferromagnetiske materialer som jern eller siliciumstål meget smalle magnetiske hysteresesløjfer, hvilket resulterer i meget små mængder restmagnetisme, hvilket gør dem ideelle til brug i relæer, solenoider og transformatorer, da de let kan magnetiseres og afmagnetiseres.

Da der skal påføres en tvangskraft for at overvinde denne restmagnetisme, skal der arbejdes på at lukke hysteresesløjfen, og den energi, der bruges, afgives som varme i det magnetiske materiale. Denne varme er kendt som hysteresetab, og tabets størrelse afhænger af materialets værdi af koercitivkraft.

Gennem tilsætning af additiver til jernmetallet, f.eks. silicium, kan der fremstilles materialer med en meget lille koercitivkraft, som har en meget smal hysteresesløjfe. Materialer med smalle hysteresesløjfer er lette at magnetisere og afmagnetisere og er kendt som blødt magnetiske materialer.

Magnetiske hysteresesløjfer for bløde og hårde materialer

Magnetisk hysterese resulterer i spild af energi i form af varme, hvor den spildte energi står i forhold til arealet af den magnetiske hysteresesløjfe. Hysteresetab vil altid være et problem i vekselstrømstransformatorer, hvor strømmen konstant skifter retning, og hvor de magnetiske poler i kernen således vil forårsage tab, fordi de konstant vender retningen om.

Roterende spoler i jævnstrømsmaskiner vil også medføre hysteresetab, da de skiftevis passerer de magnetiske nord- og sydpoler. Som tidligere nævnt afhænger hysteresesløjfens form af arten af det anvendte jern eller stål, og i tilfælde af jern, der er udsat for massive omvendinger af magnetisme, f.eks. transformatorkerner, er det vigtigt, at B-H-hysteresesløjfen er så lille som muligt.

I den næste vejledning om elektromagnetisme vil vi se på Faradays lov om elektromagnetisk induktion og se, at det ved at flytte en trådleder inden for et stationært magnetfelt er muligt at inducere en elektrisk strøm i lederen, hvilket producerer en simpel generator.