Magneettinen hystereesi

Tiedämme, että sähkömagneettisen kelan synnyttämä magneettivuo on tietyllä alueella tuotetun magneettikentän tai voimaviivojen määrä ja että sitä kutsutaan yleisemmin nimellä ”vuontiheys”. Annetaan symboli B, jossa vuontiheyden yksikkö on Tesla, T.

Tiedämme myös edellisistä opetusohjelmista, että sähkömagneetin magneettisen voimakkuus riippuu kelan kierrosten lukumäärästä, kelan läpi kulkevasta virrasta tai käytetystä ydinmateriaalista, ja jos lisäämme joko virtaa tai kierrosten lukumäärää, voimme lisätä magneettikentän voimakkuutta, symboli H.

Aiemmin suhteellinen permeabiliteetti, symboli μr, määriteltiin absoluuttisen permeabiliteetin μ ja vapaan tilan permeabiliteetin μo (tyhjiö) suhteena, ja tämä annettiin vakiona. Vuon tiheyden B ja magneettikentän voimakkuuden H välinen suhde voidaan kuitenkin määritellä siten, että suhteellinen permeabiliteetti μr ei ole vakio vaan magneettikentän voimakkuuden funktio, jolloin magneettivuon tiheys saadaan seuraavasti: B = μ H.

Tällöin magneettivuon tiheys materiaalissa kasvaa suuremmalla kertoimella johtuen sen suhteellisesta permeabiliteetista materiaalille verrattuna magneettivuon tiheyteen tyhjiössä, μoH, ja ilmalla täytetylle kelalle tämä suhde saadaan seuraavasti:

Siten ferromagneettisille materiaaleille vuontiheyden ja kenttävoimakkuuden suhde ( B/H ) ei ole vakio, vaan se vaihtelee vuontiheyden mukaan. Ilmasydämellä varustettujen kelojen tai minkä tahansa ei-magneettisen väliaineen ytimen, kuten puun tai muovin, osalta tätä suhdetta voidaan kuitenkin pitää vakiona, ja tämä vakio tunnetaan nimellä μo, vapaan tilan permeabiliteetti, ( μo = 4.π.10-7 H/m ).

Kirjoittamalla vuontiheyden ( B ) arvot kentän voimakkuutta ( H ) vastaan voidaan tuottaa joukko käyriä, joita kutsutaan magnetoitumiskäyriksi, magneettiseksi hystereesikäyriksi tai yleisemmin B-H-käyriksi kullekin käytetylle ytimen materiaalityypille, kuten alla on esitetty.

Magnetointi- tai B-H-käyrä

Yllä oleva magnetointikäyräjoukko M on esimerkki B:n ja H:n välisestä suhteesta pehmytrauta- ja teräksisille ytimille, mutta jokaisella ytimen materiaalityypillä on omat magneettiset hystereesikäyränsä. Saatat huomata, että vuontiheys kasvaa suhteessa kentän voimakkuuteen, kunnes se saavuttaa tietyn arvon, jossa se ei voi enää kasvaa ja muuttuu lähes tasaiseksi ja vakioksi kentän voimakkuuden kasvaessa.

Tämä johtuu siitä, että ytimen synnyttämällä vuontiheydellä on rajansa, koska kaikki raudan verkkotunnukset ovat täydellisesti linjassa. Lisäkasvulla ei ole mitään vaikutusta M:n arvoon, ja sitä pistettä kuvaajassa, jossa vuontiheys saavuttaa rajansa, kutsutaan magneettiseksi kyllästymiseksi, joka tunnetaan myös nimellä ytimen kyllästyminen, ja yllä olevassa yksinkertaisessa esimerkissämme teräskäyrän kyllästymispiste alkaa noin 3000 ampeerikierroksen kohdalla metrillä.

Kyllästyminen tapahtuu, koska kuten muistamme edellisestä magnetismin opetusohjelmasta, joka sisälsi Weberin teorian, molekyylirakenteen satunnainen sattumanvarainen sijoittelu ydinmateriaalin sisällä muuttuu, kun materiaalin sisällä olevat pienet molekyylimagneetit tulevat ”riviin”.

Magneettikentän voimakkuuden ( H ) kasvaessa nämä molekyylimagneetit kohdistuvat yhä enemmän, kunnes ne saavuttavat täydellisen kohdistuksen, joka tuottaa maksimaalisen vuontiheyden, ja millä tahansa magneettikentän voimakkuuden kasvulla, joka johtuu kelan läpi kulkevan sähkövirran kasvusta, on vain vähäinen tai olematon vaikutus.

Retentiiviteetti

Edetään, että meillä on sähkömagneettinen kela, jossa on suuri kentän voimakkuus, joka johtuu kelan läpi kulkevasta sähkövirrasta, ja että ferro magneettinen ydinmateriaali on saavuttanut kyllääntymisensä pisteen, maksimaalisen vuorotiheyden. Jos nyt avaamme kytkimen ja poistamme kelan läpi kulkevan magnetointivirran, olettaisimme, että kelan ympärillä oleva magneettikenttä katoaa, kun magneettivuo vähenee nollaan.

Magneettivuo ei kuitenkaan katoa kokonaan, sillä sähkömagneettinen ydinmateriaali säilyttää edelleen osan magneettisuudestaan silloinkin, kun virran kulku kelassa on lakannut. Tätä kelan kykyä säilyttää osa magneettisuudestaan ytimessä sen jälkeen, kun magnetointiprosessi on pysähtynyt, kutsutaan retentsiivisyydeksi tai remanenssiksi, kun taas ytimeen edelleen jäävää vuontiheyden määrää kutsutaan jäännösmagnetismiksi, BR .

Syy tähän on se, että osa pienistä molekyylimagneeteista ei palaudu täysin sattumanvaraiseen kuvioon, vaan ne osoittavat edelleen alkuperäisen magnetointikentän suuntaan antaen niille eräänlaisen ”muistin”. Joillakin ferromagneettisilla materiaaleilla on korkea retenttiivisyys (magneettisesti kova), mikä tekee niistä erinomaisia kestomagneettien valmistukseen.

Joillakin ferromagneettisilla materiaaleilla on alhainen retenttiivisyys (magneettisesti pehmeä), mikä tekee niistä ihanteellisia käytettäväksi sähkömagneeteissa, solenoideissa tai releissä. Yksi tapa vähentää tämä jäännösvuon tiheys nollaan on kääntää kelan läpi kulkevan virran suunta, jolloin H:n eli magneettikentän voimakkuuden arvo muuttuu negatiiviseksi. Tätä vaikutusta kutsutaan pakkovoimaksi, HC .

Jos tätä käänteisvirtaa kasvatetaan edelleen, myös vuontiheys kasvaa käänteissuuntaan, kunnes ferromagneettinen ydin saavuttaa jälleen kyllästymisen, mutta käänteissuuntaan aiemmasta. Magnetointivirran, i, pienentäminen jälleen nollaan tuottaa samanlaisen määrän jäännösmagnetismia, mutta vastakkaiseen suuntaan.

Tällöin muuttamalla jatkuvasti kelan läpi kulkevan magnetointivirran suuntaa positiivisesta suunnasta negatiiviseen suuntaan, kuten vaihtovirtalähteessä, ferromagneettisen ytimen magneettisen hystereesisilmukan voi tuottaa.

Magneettinen hystereesisilmukka

Yllä oleva magneettinen hystereesisilmukka kuvaa ferromagneettisen ytimen käyttäytymistä havainnollisesti, sillä B:n ja H:n välinen suhde on epälineaarinen. Jos magnetoimattomasta ytimestä lähdetään liikkeelle, sekä B että H ovat nollassa, magnetointikäyrän pisteessä 0.

Jos magnetointivirtaa i kasvatetaan positiiviseen suuntaan johonkin arvoon, magneettikentän voimakkuus H kasvaa lineaarisesti i:n myötä ja vuontiheys B kasvaa myös, kuten käyrä osoittaa pisteestä 0 pisteeseen a sen kulkiessa kohti kyllästymistä.

Nyt jos magnetointivirta supistetaan kelassa nollaan, supistuu ytimen ympärillä kiertävä magneettikenttä myös nollaan. Kelan magneettivuo ei kuitenkaan saavuta nollaa ytimen sisällä olevan jäännösmagnetismin vuoksi, ja tämä näkyy käyrällä pisteestä a pisteeseen b.

Voidaksemme pienentää vuontiheyden pisteessä b nollaan meidän on käännettävä kelan läpi kulkeva virta. Magnetointivoimaa, joka on kohdistettava jäännösvuontiheyden nollaamiseksi, kutsutaan ”pakkovoimaksi”. Tämä pakkovoima kääntää magneettikentän päinvastaiseksi järjestäen molekyylimagneetit uudelleen, kunnes ydin muuttuu magnetoitumattomaksi pisteessä c.

Tämän käänteisvirran kasvattaminen aiheuttaa ytimen magnetoitumisen vastakkaiseen suuntaan, ja tämän magnetointivirran kasvattaminen entisestään saa ytimen saavuttamaan kyllästymispisteensä, mutta vastakkaiseen suuntaan, käyrän pisteeseen d.

Tämä piste on symmetrinen pisteen b kanssa. Jos magnetointivirta pienennetään jälleen nollaan, ytimessä oleva jäännösmagnetismi on yhtä suuri kuin edellinen arvo, mutta päinvastaisessa suunnassa pisteessä e.

Jälleen kerran kelan läpi kulkevan magnetointivirran kääntäminen tällä kertaa positiiviseen suuntaan saa aikaan sen, että magneettivuo saavuttaa nollan, käyrän pisteen f, ja kuten ennenkin, magnetointivirran kasvattaminen edelleen positiiviseen suuntaan saa aikaan sen, että ydin saavuttaa kyllästymisen pisteessä a.

Tällöin B-H-käyrä seuraa polkua a-b-c-d-d-e-f-f-a, kun kelan läpi kulkeva magnetointivirta vuorottelee vaihtelevasti positiivisen ja negatiivisen arvon välillä, kuten vaihtojännitteen sykli. Tätä polkua kutsutaan magneettiseksi hystereesisilmukaksi.

Magneettisen hystereesin vaikutus osoittaa, että ferromagneettisen ytimen magnetointiprosessi ja siten myös vuontiheys riippuu siitä, missä käyrän osassa ferromagneettinen ydin magnetoidaan, koska tämä riippuu piirin aiemmasta historiasta antaen ytimelle eräänlaisen ”muistin”. Ferromagneettisilla materiaaleilla on siis muisti, koska ne pysyvät magnetoituneina sen jälkeen, kun ulkoinen magneettikenttä on poistettu.

Pehmeillä ferromagneettisilla materiaaleilla, kuten raudalla tai piiteräksellä, on kuitenkin hyvin kapeat magneettiset hystereesisilmukat, jolloin jäännösmagnetismia jää hyvin vähän, mikä tekee niistä ihanteellisia käytettäväksi releissä, solenoideissa ja muuntajissa, koska ne voidaan helposti magnetoida ja demagnetoida.

Koska tämän jäännösmagnetismin voittamiseksi on käytettävä pakkovoimaa, hystereesisilmukan sulkemiseksi on tehtävä työtä, jolloin käytetty energia haihtuu magneettisessa materiaalissa lämpönä. Tätä lämpöä kutsutaan hystereesihäviöksi, ja häviön määrä riippuu materiaalin pakkovoiman arvosta.

Lisäämällä rautametalliin lisäaineita, kuten piitä, voidaan valmistaa hyvin pienen pakkovoiman omaavia materiaaleja, joiden hystereesisilmukka on hyvin kapea. Materiaalit, joilla on kapea hystereesisilmukka, ovat helposti magnetoituvia ja demagnetoituvia ja niitä kutsutaan pehmeiksi magneettisiksi materiaaleiksi.

Magneettiset hystereesisilmukat pehmeille ja koville materiaaleille

Magneettisen hystereesin tuloksena hukkaan menevää energiaa häviää lämpönä hukkaan menevän energian ollessa verrannollinen magneettisen hystereesisilmukan pinta-alaan. Hystereesihäviöt ovat aina ongelma vaihtovirtamuuntajissa, joissa virta vaihtaa jatkuvasti suuntaa ja näin ollen ytimen magneettiset navat aiheuttavat häviöitä, koska ne kääntävät jatkuvasti suuntaa.

Tasavirtakoneiden pyörivillä käämeillä syntyy myös hystereesihäviöitä, koska ne kulkevat vuorotellen pohjois- ja etelämagneettisten napojen ohi. Kuten aiemmin todettiin, hystereesisilmukan muoto riippuu käytetyn raudan tai teräksen luonteesta, ja kun kyseessä on rauta, joka altistuu massiivisille magneettisuuden käänteisille vaikutuksille, esimerkiksi muuntajasydämet, on tärkeää, että B-H-hystereesisilmukka on mahdollisimman pieni.

Seuraavassa sähkömagnetismia käsittelevässä oppitunnissa tarkastelemme Faradayn sähkömagneettisen induktion lakia ja näemme, että liikuttamalla johdinjohdinta paikallaan olevassa magneettikentässä on mahdollista indusoida johtimeen sähkövirta, joka tuottaa yksinkertaisen generaattorin.