磁気ヒステリシス

電磁コイルから発生する磁束は、一定の面積に発生する磁界や力線の量で、一般に「磁束密度」と呼ばれていることが分かっています。 磁束密度の単位がテスラで記号Bが与えられる

また、電磁石の磁気の強さはコイルの巻き数、コイルに流れる電流、または使用されているコア材料の種類に依存し、電流または巻き数のいずれかを増やせば、磁場の強さは記号Hで与えられることがこれまでのチュートリアルからわかっています。

以前は、絶対透磁率μと自由空間の透磁率μo（真空）の比を相対透磁率、記号μrと定義し、これを定数として与えていた。 しかし、磁束密度Bと磁界強度Hの関係は、比透磁率μrが定数ではなく、磁界強度の関数であることから、磁束密度を次のように定義することができる。 B = μ Hとなる。

次に、材料中の磁束密度は、真空中の磁束密度μHと比較して、材料に対する相対的な透磁率の結果として、より大きな要因で増加し、空芯コイルについてこの関係は次のように与えられます。

したがって強磁性体の場合、磁束密度と磁界強度の比（B/H）は一定ではなく、磁束密度により変化することになります。 しかし、空芯コイルや木材、プラスチックなどの非磁性体のコアでは、この比は一定と考えられ、この定数は自由空間の透磁率であるμo（μo＝4.π.10-7

磁束密度( B )を磁界強度( H )に対してプロットすると、使用するコア材ごとに磁化曲線、磁気ヒステリシス曲線、より一般的にはB-H曲線と呼ばれる一連の曲線が以下のように作成されます。

着磁曲線またはB-H曲線

上の着磁曲線Mは軟鉄と鉄心に対するB-H関係の例で、すべての種類のコア材には独自の磁気ヒステリシス曲線の集合が存在することになります。 磁束密度は磁界強度に比例して増加し、ある値に達するとそれ以上増加できなくなり、磁界強度が増加するにつれてほぼ水平になり、一定になることにお気づきでしょう。 これ以上増やしてもMの値に影響はありません。グラフ上で磁束密度が限界に達する点を磁気飽和、またはコアの飽和と呼び、上記の簡単な例では、鋼鉄曲線の飽和点は1メートルあたり約3000アンペアターンで始まります。

飽和が起こるのは、ウェーバーの理論を含む前回の磁気のチュートリアルで覚えたように、材料内の小さな分子磁石が「並んだ」状態になると、コア材料内の分子構造のランダムな無秩序な配列が変化するためです。

磁場の強さ ( H ) が増すにつれて、これらの分子磁石は、最大磁束密度を生み出す完全な配列になるまでますます配列され、コイルを流れる電流の増加による磁場の強さの増加はほとんど影響を与えなくなるのです。
しかし、電流が止まっても電磁コアの磁性は残っているため、磁束は完全に消えるわけではありません。 このように磁化が止まった後も磁気を保持することを保持力といい、コアに残っている磁束密度のことを残留磁気(BR)といいます。 強磁性体のなかには保磁力が高く（磁気的に硬い）、永久磁石の製造に適したものがありますが、保磁力が低く（磁気的に軟らかい）、電磁石やソレノイド、リレーに最適なものもあります。 この残留磁束密度をゼロにする方法として、コイルに流す電流の方向を反転させ、磁界の強さであるHの値をマイナスにする方法があります。 この逆方向の電流をさらに増加させると、磁束密度は強磁性コアが再び飽和するまで逆方向に増加しますが、この方向は以前とは逆です。 磁化電流iを再びゼロにすると、同じような量の残留磁気が発生しますが、方向は逆です。

その後、交流電源の場合のように、コイルを通して磁化電流の方向を正方向から負方向へ絶えず変えることによって、強磁性コアの磁気ヒステリシスループを生成することができるのです。

Magnetic Hysteresis Loop

上記Magnetic Hysteresis loopはBとHが非線形であり、強磁性体の動作を図式化したもので、BとHの関係で、強磁性体コアがどのように変化するかを示しています。

磁化電流iを正の方向にある値まで増加させると、磁界強度Hはiとともに直線的に増加し、磁束密度Bも0点からa点まで、飽和に向かう曲線で示すように増加します。

b点の磁束密度をゼロにするには、コイルに流れる電流を逆にする必要があります。 残留磁束密度をゼロにするために加えなければならない磁化の力を「保磁力」と呼びます。 この保磁力は磁場を反転させ、コアがc点で非磁化になるまで分子磁石を再配置します。

この逆方向電流を増加させると、コアは反対方向に磁化され、この磁化電流をさらに増やすとコアは飽和点に達するが逆方向、曲線の点dに到達します。

この点は点bと対称的です。磁化電流を再びゼロまで減らすと、コアに存在する残留磁気が以前の値と等しくなりますが、点eで逆になります。

再びコイルを流れる磁化電流を今度は正方向に反転させると、磁束はゼロになり、曲線上のf点に到達します。前と同様に磁化電流をさらに正方向に増加させると、コアはa点で飽和状態になります。

その後、コイルを流れる磁化電流がAC電圧のサイクルのように正と負の値の間で交番するようにB-H曲線はa-b-c-d-e-f-aという経路をたどります。 磁気ヒステリシスの効果は、強磁性コアの磁化過程と磁束密度が、強磁性コアが曲線のどの部分に磁化されるかに依存し、回路の過去の履歴がコアに一種の「記憶」を与えていることを示しています。 しかし、鉄やケイ素鋼などの軟磁性体は磁気ヒステリシスループが非常に狭く、残留磁気が非常に少ないため、容易に着磁・消磁ができ、リレーやソレノイド、変圧器に最適な材料である。

この残留磁気に打ち勝つために保磁力を加えなければならないので、ヒステリシスループを閉じる際に仕事が行われ、使用されるエネルギーは磁性材料の熱として放散される。 この熱をヒステリシス損失といい、損失量は材料の保磁力値に依存します。

鉄の金属にシリコンなどの添加物を加えると、保磁力が非常に小さく、ヒステリシスループの幅が非常に狭い材料を作ることができます。 ヒステリシスループの狭い材料は磁化・消磁が容易であり、軟磁性材料と呼ばれる。

軟質および硬質材料の磁気ヒステリシスループ

Magnetic Hysteresisにより熱として無駄にエネルギーを消費し、無駄になるエネルギーは磁気ヒステリシスループの面積と比例している。 ヒステリシス損失は、電流の向きが常に変わる交流変圧器において常に問題となり、コアの磁極が常に逆向きになるため損失を生じます。

直流機の回転コイルも、北と南の磁極を交互に通過するためヒステリシス損失を発生させます。 前述したように、ヒステリシスループの形状は使用する鉄や鋼の性質に依存し、トランスコアなど磁気の大逆転を受ける鉄の場合、B-Hヒステリシスループをできるだけ小さくすることが重要である。

電磁気学の次のチュートリアルでは、ファラデーの電磁誘導の法則を見て、静止磁場内でワイヤー導体を動かすことによって、導体に電流を誘導し、簡単な発電機を作り出すことが可能であることを確認します。