Magnetische Hysterese

Wir wissen, dass der von einer elektromagnetischen Spule erzeugte magnetische Fluss die Menge des magnetischen Feldes oder der Kraftlinien ist, die in einem bestimmten Bereich erzeugt werden, und dass er allgemeiner als „Flussdichte“ bezeichnet wird. Die Einheit der Flussdichte ist das Tesla, T.

Aus den vorangegangenen Übungen wissen wir auch, dass die magnetische Stärke eines Elektromagneten von der Anzahl der Windungen der Spule, dem durch die Spule fließenden Strom oder der Art des verwendeten Kernmaterials abhängt, und wenn wir entweder den Strom oder die Anzahl der Windungen erhöhen, können wir die magnetische Feldstärke erhöhen, Symbol H.

Früher war die relative Permeabilität, Symbol μr, als das Verhältnis zwischen der absoluten Permeabilität μ und der Permeabilität des freien Raums μo (Vakuum) definiert und wurde als Konstante angegeben. Die Beziehung zwischen der Flussdichte B und der magnetischen Feldstärke H kann jedoch durch die Tatsache definiert werden, dass die relative Permeabilität μr keine Konstante ist, sondern eine Funktion der magnetischen Feldstärke, wodurch sich die magnetische Flussdichte ergibt als: B = μ H.

Dann wird die magnetische Flussdichte im Material durch die relative Permeabilität des Materials im Vergleich zur magnetischen Flussdichte im Vakuum, μoH, um einen größeren Faktor erhöht und für eine Spule mit Luftkern ist diese Beziehung gegeben als:

Für ferromagnetische Materialien ist also das Verhältnis von Flussdichte zu Feldstärke ( B/H ) nicht konstant, sondern variiert mit der Flussdichte. Für Luftspulen oder jeden nichtmagnetischen Medienkern wie Holz oder Kunststoff kann dieses Verhältnis jedoch als Konstante betrachtet werden, und diese Konstante ist als μo, die Permeabilität des freien Raums, bekannt ( μo = 4.π.10-7 H/m ).

Indem wir die Werte der Flussdichte ( B ) gegen die Feldstärke ( H ) auftragen, können wir eine Reihe von Kurven erstellen, die als Magnetisierungskurven, magnetische Hysteresekurven oder allgemeiner als B-H-Kurven für jede Art von Kernmaterial bezeichnet werden, wie unten dargestellt.

Magnetisierungs- oder B-H-Kurve

Der Satz von Magnetisierungskurven, M oben, stellt ein Beispiel für die Beziehung zwischen B und H für Weicheisen- und Stahlkerne dar, aber jede Art von Kernmaterial hat ihren eigenen Satz von magnetischen Hysteresekurven. Sie werden feststellen, dass die Flussdichte proportional zur Feldstärke ansteigt, bis sie einen bestimmten Wert erreicht, bei dem sie nicht mehr weiter ansteigen kann und dann fast gleichmäßig und konstant wird, wenn die Feldstärke weiter ansteigt.

Das liegt daran, dass es eine Grenze für die Flussdichte gibt, die vom Kern erzeugt werden kann, da alle Domänen im Eisen perfekt ausgerichtet sind. Jede weitere Erhöhung hat keine Auswirkung auf den Wert von M, und der Punkt auf dem Diagramm, an dem die Flussdichte ihre Grenze erreicht, wird magnetische Sättigung genannt, auch bekannt als Sättigung des Kerns, und in unserem einfachen Beispiel oben beginnt der Sättigungspunkt der Stahlkurve bei etwa 3000 Amperewindungen pro Meter.

Die Sättigung tritt ein, weil sich, wie wir uns aus dem vorangegangenen Magnetismus-Tutorial erinnern, das die Webersche Theorie beinhaltete, die zufällige, willkürliche Anordnung der Molekülstruktur innerhalb des Kernmaterials ändert, wenn die winzigen Molekülmagnete im Material „aufgereiht“ werden.

Wenn die magnetische Feldstärke ( H ) zunimmt, werden diese molekularen Magnete mehr und mehr ausgerichtet, bis sie eine perfekte Ausrichtung erreichen, die eine maximale Flussdichte erzeugt, und jede Erhöhung der magnetischen Feldstärke aufgrund einer Erhöhung des elektrischen Stroms, der durch die Spule fließt, hat nur geringe oder gar keine Auswirkungen.

Retentivität

Angenommen, wir haben eine elektromagnetische Spule mit einer hohen Feldstärke aufgrund des durch sie fließenden Stroms, und das ferromagnetische Kernmaterial hat seinen Sättigungspunkt, die maximale Flussdichte, erreicht. Wenn wir nun einen Schalter öffnen und den durch die Spule fließenden Magnetisierungsstrom entfernen, würden wir erwarten, dass das Magnetfeld um die Spule herum verschwindet, da der magnetische Fluss auf Null zurückgeht.

Der magnetische Fluss verschwindet jedoch nicht vollständig, da das elektromagnetische Kernmaterial immer noch einen Teil seines Magnetismus beibehält, selbst wenn der Strom in der Spule nicht mehr fließt. Diese Fähigkeit einer Spule, einen Teil ihres Magnetismus im Kern zu behalten, nachdem der Magnetisierungsprozess aufgehört hat, wird als Retentivität oder Remanenz bezeichnet, während die Menge an Flussdichte, die noch im Kern verbleibt, als Restmagnetismus (BR) bezeichnet wird.

Der Grund dafür ist, dass einige der winzigen molekularen Magnete nicht in ein völlig zufälliges Muster zurückkehren und immer noch in die Richtung des ursprünglichen Magnetisierungsfeldes zeigen, was ihnen eine Art „Gedächtnis“ verleiht. Einige ferromagnetische Materialien haben eine hohe Remanenz (magnetisch hart), wodurch sie sich hervorragend für die Herstellung von Dauermagneten eignen.

Während andere ferromagnetische Materialien eine niedrige Remanenz (magnetisch weich) haben, wodurch sie sich ideal für die Verwendung in Elektromagneten, Solenoiden oder Relais eignen. Eine Möglichkeit, diese Restflussdichte auf Null zu reduzieren, besteht darin, die Richtung des durch die Spule fließenden Stroms umzukehren, wodurch der Wert von H, die magnetische Feldstärke, negativ wird. Dieser Effekt wird als Koerzitivfeldstärke HC bezeichnet.

Wird dieser Umkehrstrom weiter erhöht, so nimmt die Flussdichte auch in umgekehrter Richtung zu, bis der ferromagnetische Kern wieder die Sättigung erreicht, allerdings in umgekehrter Richtung wie zuvor. Verringert man den Magnetisierungsstrom i wieder auf Null, so entsteht ein ähnlicher Restmagnetismus, jedoch in umgekehrter Richtung.

Durch ständiges Ändern der Richtung des Magnetisierungsstroms durch die Spule von einer positiven zu einer negativen Richtung, wie es bei einer Wechselstromversorgung der Fall wäre, kann eine magnetische Hystereseschleife des ferromagnetischen Kerns erzeugt werden.

Magnetische Hystereseschleife

Die obige magnetische Hystereseschleife zeigt grafisch das Verhalten eines ferromagnetischen Kerns, da die Beziehung zwischen B und H nichtlinear ist. Ausgehend von einem nicht magnetisierten Kern liegen sowohl B als auch H bei Null, dem Punkt 0 auf der Magnetisierungskurve.

Wird der Magnetisierungsstrom i in positiver Richtung auf einen bestimmten Wert erhöht, so nimmt die magnetische Feldstärke H linear mit i zu, und die Flussdichte B steigt ebenfalls an, wie die Kurve von Punkt 0 zu Punkt a zeigt, während sie auf die Sättigung zusteuert.

Wird nun der Magnetisierungsstrom in der Spule auf Null reduziert, so verringert sich auch das um den Kern kreisende Magnetfeld auf Null. Der magnetische Fluss der Spule wird jedoch aufgrund des im Kern vorhandenen Restmagnetismus nicht Null erreichen, was auf der Kurve von Punkt a zu Punkt b zu sehen ist.

Um die Flussdichte im Punkt b auf Null zu reduzieren, müssen wir den durch die Spule fließenden Strom umkehren. Die Magnetisierungskraft, die aufgebracht werden muss, um die Restflussdichte auf Null zu bringen, wird als „Koerzitivkraft“ bezeichnet. Diese Koerzitivkraft kehrt das Magnetfeld um und ordnet die Molekülmagnete neu an, bis der Kern am Punkt c unmagnetisiert wird.

Eine Erhöhung dieses Umkehrstroms bewirkt, dass der Kern in die entgegengesetzte Richtung magnetisiert wird, und eine weitere Erhöhung dieses Magnetisierungsstroms führt dazu, dass der Kern seinen Sättigungspunkt erreicht, allerdings in der entgegengesetzten Richtung, Punkt d auf der Kurve.

Dieser Punkt ist symmetrisch zu Punkt b. Wenn der Magnetisierungsstrom wieder auf Null reduziert wird, ist der im Kern vorhandene Restmagnetismus gleich dem vorherigen Wert, aber in umgekehrter Richtung bei Punkt e.

Wenn man den durch die Spule fließenden Magnetisierungsstrom wieder umkehrt, diesmal in eine positive Richtung, erreicht der magnetische Fluss den Punkt f auf der Kurve, und wenn man den Magnetisierungsstrom weiter in eine positive Richtung erhöht, erreicht der Kern die Sättigung bei Punkt a.

Dann folgt die B-H-Kurve dem Verlauf von a-b-c-d-e-f-a, da der durch die Spule fließende Magnetisierungsstrom zwischen einem positiven und einem negativen Wert wechselt, wie der Zyklus einer Wechselspannung. Dieser Weg wird als magnetische Hystereseschleife bezeichnet.

Der Effekt der magnetischen Hysterese zeigt, dass der Magnetisierungsprozess eines ferromagnetischen Kerns und damit die Flussdichte davon abhängt, auf welchem Teil der Kurve der ferromagnetische Kern magnetisiert wird, da dies von der Vorgeschichte des Stromkreises abhängt und dem Kern eine Art „Gedächtnis“ verleiht. Dann haben ferromagnetische Materialien ein Gedächtnis, weil sie magnetisiert bleiben, nachdem das äußere Magnetfeld entfernt wurde.

Weiche ferromagnetische Materialien wie Eisen oder Siliziumstahl haben jedoch sehr enge magnetische Hystereseschleifen, was zu sehr geringen Mengen an Restmagnetismus führt, was sie ideal für den Einsatz in Relais, Magnetspulen und Transformatoren macht, da sie leicht magnetisiert und entmagnetisiert werden können.

Da eine Koerzitivkraft aufgebracht werden muss, um diesen Restmagnetismus zu überwinden, muss Arbeit geleistet werden, um die Hystereseschleife zu schließen, wobei die verwendete Energie als Wärme in das magnetische Material abgeleitet wird. Diese Wärme wird als Hystereseverlust bezeichnet, wobei die Höhe des Verlustes vom Wert der Koerzitivkraft des Materials abhängt.

Durch Zugabe von Zusatzstoffen zum Eisenmetall, wie z. B. Silizium, können Materialien mit einer sehr geringen Koerzitivkraft hergestellt werden, die eine sehr enge Hystereseschleife aufweisen. Materialien mit engen Hystereseschleifen sind leicht magnetisierbar und entmagnetisierbar und werden als weichmagnetische Materialien bezeichnet.

Magnetische Hystereseschleifen für weiche und harte Werkstoffe

Magnetische Hysterese führt zur Ableitung von Verlustenergie in Form von Wärme, wobei die Verlustenergie proportional zur Fläche der magnetischen Hystereseschleife ist. Hystereseverluste sind immer ein Problem in Wechselstromtransformatoren, wo der Strom ständig die Richtung ändert und die Magnetpole im Kern Verluste verursachen, weil sie ständig die Richtung umkehren.

Die rotierenden Spulen in Gleichstrommaschinen verursachen ebenfalls Hystereseverluste, da sie abwechselnd die magnetischen Nord- und Südpole passieren. Wie bereits erwähnt, hängt die Form der Hystereseschleife von der Beschaffenheit des verwendeten Eisens oder Stahls ab, und bei Eisen, das massiven Umkehrungen des Magnetismus ausgesetzt ist, z. B. bei Transformatorenkernen, ist es wichtig, dass die B-H-Hystereseschleife so klein wie möglich ist.

Im nächsten Tutorium über Elektromagnetismus werden wir das Faradaysche Gesetz der elektromagnetischen Induktion betrachten und sehen, dass man durch Bewegen eines Drahtleiters in einem stationären Magnetfeld einen elektrischen Strom in den Leiter induzieren kann, wodurch ein einfacher Generator entsteht.