Tudjuk, hogy az elektromágneses tekercs által létrehozott mágneses fluxus az adott területen belül létrehozott mágneses mező vagy erővonalak mennyisége, és hogy ezt gyakrabban “fluxussűrűségnek” nevezik. Adott a B szimbólum, a fluxussűrűség mértékegysége a Tesla, T.
Az előző tananyagból azt is tudjuk, hogy egy elektromágnes mágneses erőssége függ a tekercs fordulatszámától, a tekercsen átfolyó áramtól vagy a felhasznált maganyag típusától, és ha növeljük akár az áramot, akár a fordulatszámot, akkor növelhetjük a mágneses térerősséget, H szimbólummal.
Régebben a relatív permeabilitást, μr szimbólummal a μ abszolút permeabilitás és a szabad tér μo (vákuum) permeabilitásának hányadosaként határozták meg, és ezt konstansként adták meg. A fluxussűrűség, B és a mágneses térerősség, H közötti kapcsolat azonban úgy határozható meg, hogy a relatív permeabilitás, μr nem konstans, hanem a mágneses térerősség függvénye, így a mágneses fluxussűrűség a következő: B = μ H.
Ezután az anyagban a mágneses fluxussűrűség az anyag relatív permeabilitása következtében nagyobb tényezővel nő az anyagra, mint a vákuumban lévő mágneses fluxussűrűség, μoH, és egy levegővel töltött tekercs esetében ez az összefüggés a következő:
A ferromágneses anyagok esetében tehát a fluxussűrűség és a térerősség aránya ( B/H ) nem állandó, hanem a fluxussűrűséggel változik. Levegővel töltött tekercsek vagy bármely nem mágneses közeg magja, például fák vagy műanyagok esetében azonban ez az arány konstansnak tekinthető, és ezt az állandót μo, a szabad tér permeabilitásának nevezik, ( μo = 4.π.10-7 H/m ).
A fluxussűrűség ( B ) értékeit a térerősséggel ( H ) szemben ábrázolva a mágnesezési görbék, mágneses hiszterézis görbék vagy gyakrabban B-H görbék nevű görbék sorozatát állíthatjuk elő az egyes felhasznált maganyagtípusokra, amint az alább látható.
Magnetizációs vagy B-H görbe
A fenti M mágnesezési görbék halmaza a B és H közötti kapcsolatra mutat példát lágyvas és acél magok esetében, de minden típusú maganyagnak saját mágneses hiszterézisgörbéi lesznek. Észrevehetjük, hogy a fluxussűrűség a térerősséggel arányosan növekszik, amíg el nem ér egy bizonyos értéket, ahol már nem tud tovább növekedni, majdnem egyenletes és állandó lesz, ahogy a térerősség tovább növekszik.
Ez azért van, mert a mag által generálható fluxussűrűségnek van egy határa, mivel a vas összes tartománya tökéletesen igazodik egymáshoz. Bármilyen további növekedés nem lesz hatással az M értékére, és a grafikonon azt a pontot, ahol a fluxussűrűség eléri a határértéket, mágneses telítődésnek, más néven a mag telítődésének nevezik, és a fenti egyszerű példánkban az acélgörbe telítődési pontja körülbelül 3000 amper-fordulat per méternél kezdődik.
A telítődés azért következik be, mert ahogy emlékszünk az előző mágnesesség oktatóanyagból, amely a Weber elméletet tartalmazta, a molekulaszerkezet véletlenszerű véletlenszerű elrendeződése a maganyagon belül megváltozik, ahogy az anyagban lévő apró molekulamágnesek “felsorakoznak”.
Amint a mágneses térerősség, ( H ) növekszik, ezek a molekuláris mágnesek egyre jobban egymáshoz igazodnak, amíg el nem érik a tökéletes igazodást, ami maximális fluxussűrűséget eredményez, és a mágneses térerősség bármilyen növekedése, ami a tekercsen átfolyó elektromos áram növekedése miatt következik be, kevés vagy semmilyen hatással nem lesz.
Retentivitás
Tegyük fel, hogy van egy elektromágneses tekercsünk, amelynek a rajta átfolyó áram miatt nagy a térerőssége, és hogy a ferromágneses maganyag elérte a telítési pontot, a maximális fluxussűrűséget. Ha most kinyitunk egy kapcsolót, és megszüntetjük a tekercsen átfolyó mágnesező áramot, azt várnánk, hogy a tekercs körüli mágneses tér megszűnik, mivel a mágneses fluxus nullára csökken.
A mágneses fluxus azonban nem tűnik el teljesen, mivel az elektromágneses maganyag még akkor is megőrzi mágnesességének egy részét, amikor a tekercsben már nem folyik áram. A tekercsnek ezt a képességét, hogy a mágnesezési folyamat leállása után is megtartja mágnesességének egy részét a magban, retentivitásnak vagy remanenciának nevezik, míg a magban még mindig megmaradó fluxussűrűség mennyiségét maradék mágnesességnek, BR-nek nevezik.
Az oka ennek, hogy az apró molekuláris mágnesek egy része nem teljesen véletlenszerűen tér vissza, és még mindig az eredeti mágnesező mező irányába mutat, ami egyfajta “memóriát” ad nekik. Egyes ferromágneses anyagok nagy retentivitással rendelkeznek (mágnesesen kemények), így kiválóan alkalmasak állandó mágnesek előállítására.
Míg más ferromágneses anyagok alacsony retentivitással rendelkeznek (mágnesesen lágyak), így ideálisak elektromágnesekben, szolenoidokban vagy relékben való felhasználásra. Ezt a maradó fluxussűrűséget úgy lehet nullára csökkenteni, ha a tekercsen átfolyó áram irányát megfordítjuk, ezáltal a H értékét, a mágneses térerősséget negatívvá tesszük. Ezt a hatást nevezzük kényszerítő erőnek, HC .
Ha ezt a fordított áramot tovább növeljük, a fluxussűrűség is növekszik a fordított irányban, amíg a ferromágneses mag ismét el nem éri a telítettséget, de a korábbiakkal ellentétes irányban. Ha a mágnesező áramot, i-t ismét nullára csökkentjük, akkor hasonló mennyiségű maradék mágnesesség keletkezik, de a fordított irányban.
Ezután a tekercsen átfolyó mágnesező áram irányának folyamatos változtatásával a pozitív irányból a negatív irányba, ahogyan az egy váltakozó áramú tápegységben történne, a ferromágneses mag mágneses hiszterézis hurokja hozható létre.
Mágneses hiszterézishurok
A fenti mágneses hiszterézishurok grafikusan mutatja a ferromágneses mag viselkedését, mivel a B és H közötti kapcsolat nem lineáris. Egy mágnesezetlen magból kiindulva mind a B, mind a H értéke nulla, a mágnesezési görbe 0 pontja.
Ha az i mágnesezési áramot pozitív irányban valamilyen értékre növeljük, a H mágneses térerősség lineárisan nő az i-vel, és a B fluxussűrűség is nő, amint azt a 0 pontból a telítettség felé haladó görbe mutatja.
Ha most a tekercsben a mágnesezési áramot nullára csökkentjük, a mag körül keringő mágneses tér is nullára csökken. A tekercs mágneses fluxusa azonban nem éri el a nullát a magban lévő maradék mágnesesség miatt, és ezt mutatja az a ponttól a b pontig tartó görbe.
A b pontban lévő fluxussűrűség nullára csökkentéséhez meg kell fordítanunk a tekercsen átfolyó áramot. A mágnesező erőt, amelyet a maradék fluxussűrűség nullázásához kell alkalmazni, “kényszerítő erőnek” nevezzük. Ez a kényszerítő erő megfordítja a mágneses mezőt, átrendezve a molekuláris mágneseket, amíg a mag a c pontban mágnesezhetetlenné nem válik.
Ez a fordított áram növelése a mag ellenkező irányú mágnesezését okozza, és ennek a mágnesezési áramnak a további növelése azt eredményezi, hogy a mag eléri a telítési pontot, de az ellenkező irányba, a görbe d pontjába.
Ez a pont szimmetrikus a b ponthoz képest. Ha a mágnesezési áramot ismét nullára csökkentjük, akkor a magban lévő maradék mágnesesség a korábbi értékkel megegyező, de fordított irányú lesz az e pontban.
A tekercsen átfolyó mágnesezési áramot ezúttal pozitív irányba fordítva a mágneses fluxus eléri a nullát, a görbe f pontját, és mint korábban, a mágnesezési áram további pozitív irányú növelésével a mag eléri a telítődést az a pontban.
A B-H görbe ezután az a-b-c-d-e-f-a útját követi, mivel a tekercsen átfolyó mágnesezési áram váltakozik a pozitív és negatív érték között, mint a váltakozó feszültség ciklusa. Ezt az utat mágneses hiszterézis huroknak nevezzük.
A mágneses hiszterézis hatása azt mutatja, hogy a ferromágneses mag mágnesezési folyamata és így a fluxussűrűség attól függ, hogy a görbe melyik részén van a ferromágneses mag mágnesezve, mivel ez függ az áramkör múltjától, ami egyfajta “memóriát” ad a magnak. Ezután a ferromágneses anyagoknak van memóriájuk, mert a külső mágneses tér megszüntetése után is mágnesezettek maradnak.
A lágy ferromágneses anyagok, mint például a vas vagy a szilíciumacél, nagyon keskeny mágneses hiszterézis hurokkal rendelkeznek, ami nagyon kis mennyiségű maradék mágnesességet eredményez, így ideálisak a relékben, szolenoidokban és transzformátorokban való felhasználásra, mivel könnyen mágnesezhetőek és demagnetizálhatóak.
Mivel a maradék mágnesesség leküzdéséhez kényszerítő erőt kell alkalmazni, a hiszterézishurok bezárásához munkát kell végezni, a felhasznált energia pedig hő formájában elválik a mágneses anyagban. Ezt a hőt hiszterézisveszteségnek nevezzük, a veszteség mértéke az anyag koercitív erő értékétől függ.
A vasfémhez adalékanyagok, például szilícium hozzáadásával nagyon kis koercitív erővel rendelkező anyagok készíthetők, amelyek nagyon szűk hiszterézishurokkal rendelkeznek. A keskeny hiszterézishurokkal rendelkező anyagok könnyen mágnesezhetőek és demagnetizálhatóak, és lágy mágneses anyagoknak nevezik őket.
Mágneses hiszterézishurok lágy és kemény anyagokhoz
A mágneses hiszterézis az elvesztegetett energia hő formájában történő disszipációját eredményezi, ahol az elvesztegetett energia a mágneses hiszterézishurok területével arányos. A hiszterézisveszteségek mindig problémát jelentenek a váltakozó áramú transzformátorokban, ahol az áram folyamatosan változtatja irányát, és így a magban lévő mágneses pólusok veszteségeket okoznak, mivel folyamatosan irányt váltanak.
Az egyenáramú gépek forgó tekercsei szintén hiszterézisveszteségeket okoznak, mivel felváltva haladnak északi és déli mágneses pólusokon. Mint korábban említettük, a hiszterézishurok alakja a felhasznált vas vagy acél jellegétől függ, és olyan vas esetében, amely masszív mágneses fordulatnak van kitéve, például a transzformátorok magjai esetében fontos, hogy a B-H hiszterézishurok a lehető legkisebb legyen.
Az elektromágnesességről szóló következő tananyagban Faraday elektromágneses indukciójának törvényét fogjuk megvizsgálni, és látni fogjuk, hogy egy drótvezetőt helyhez kötött mágneses térben mozgatva elektromos áramot lehet indukálni a vezetőben, ami egy egyszerű generátort hoz létre.
Vélemény, hozzászólás?