Wiemy, że strumień magnetyczny wytwarzany przez cewkę elektromagnetyczną to ilość pola magnetycznego lub linii sił wytwarzanych na danym obszarze i że jest on bardziej powszechnie nazywany „gęstością strumienia”. Podajemy symbol B, a jednostką gęstości strumienia jest tesla, T.
Wiemy również z poprzednich lekcji, że siła magnetyczna elektromagnesu zależy od liczby zwojów cewki, prądu płynącego przez cewkę lub rodzaju użytego materiału rdzenia, a jeśli zwiększymy prąd lub liczbę zwojów, możemy zwiększyć natężenie pola magnetycznego, symbol H.
Poprzednio przenikalność względna, symbol μr była definiowana jako stosunek przenikalności bezwzględnej μ i przenikalności swobodnej przestrzeni μo (próżni) i była ona podawana jako stała. Jednak związek pomiędzy gęstością strumienia, B i natężeniem pola magnetycznego, H może być określony przez fakt, że względna przenikalność, μr nie jest stałą, ale funkcją natężenia pola magnetycznego, dając w ten sposób gęstość strumienia magnetycznego jako: B = μ H.
Wtedy gęstość strumienia magnetycznego w materiale będzie zwiększona o większy czynnik w wyniku względnej przenikalności dla materiału w porównaniu do gęstości strumienia magnetycznego w próżni, μoH i dla cewki z rdzeniem powietrznym ta zależność jest dana jako:
Więc dla materiałów ferromagnetycznych stosunek gęstości strumienia do natężenia pola ( B/H ) nie jest stały, lecz zmienia się wraz z gęstością strumienia. Jednakże dla cewek z rdzeniem powietrznym lub jakimkolwiek rdzeniem z ośrodka niemagnetycznego, takiego jak drewno lub tworzywa sztuczne, stosunek ten można uznać za stały, a stała ta znana jest jako μo, przenikalność swobodnej przestrzeni, ( μo = 4.π.10-7 H/m ).
Przez wykreślenie wartości gęstości strumienia, ( B ) względem natężenia pola, ( H ) możemy uzyskać zestaw krzywych zwanych krzywymi magnesowania, krzywymi histerezy magnetycznej lub bardziej powszechnie krzywymi B-H dla każdego rodzaju użytego materiału rdzenia, jak pokazano poniżej.
Krzywe magnesowania lub krzywe B-H
Zestaw krzywych magnesowania, M powyżej przedstawia przykład zależności pomiędzy B i H dla rdzeni z miękkiego żelaza i stali, ale każdy rodzaj materiału rdzenia będzie miał swój własny zestaw krzywych histerezy magnetycznej. Można zauważyć, że gęstość strumienia wzrasta proporcjonalnie do natężenia pola, aż osiągnie pewną wartość, po której nie może już wzrosnąć, stając się prawie równa i stała, gdy natężenie pola nadal wzrasta.
Wynika to z faktu, że istnieje granica gęstości strumienia, który może być generowany przez rdzeń, ponieważ wszystkie domeny w żelazie są idealnie wyrównane. Każdy dalszy wzrost nie będzie miał wpływu na wartość M, a punkt na wykresie, w którym gęstość strumienia osiąga swój limit jest nazywany nasyceniem magnetycznym znanym również jako nasycenie rdzenia i w naszym prostym przykładzie powyżej punkt nasycenia krzywej stalowej zaczyna się przy około 3000 amperozwojów na metr.
Nasycenie występuje, ponieważ, jak pamiętamy z poprzedniego samouczka magnetyzmu, który zawierał teorię Webera, przypadkowy, chaotyczny układ struktury molekuł w materiale rdzenia zmienia się, gdy maleńkie magnesy molekularne w materiale stają się „wyłożone”.
As the magnetic field strength, ( H ) increases these molecular magnets become more and more aligned until they reach perfect alignment producing maximum flux density and any increase in the magnetic field strength due to an increase in the electrical current flowing through the coil will have little or no effect.
Retentivity
Załóżmy, że mamy cewkę elektromagnetyczną z wysokim natężeniem pola dzięki przepływającemu przez nią prądowi, i że ferromagnetyczny materiał rdzenia osiągnął swój punkt nasycenia, maksymalną gęstość strumienia. Jeśli teraz otworzymy przełącznik i usuniemy prąd magnesujący płynący przez cewkę, spodziewalibyśmy się, że pole magnetyczne wokół cewki zniknie, ponieważ strumień magnetyczny zmniejszy się do zera.
Jednakże strumień magnetyczny nie znika całkowicie, ponieważ elektromagnetyczny materiał rdzenia nadal zachowuje część swojego magnetyzmu, nawet gdy prąd przestał płynąć w cewce. Ta zdolność cewki do zachowania części magnetyzmu w rdzeniu po ustaniu procesu namagnesowania nazywana jest retencyjnością lub remanencją, natomiast ilość strumienia magnetycznego pozostającego w rdzeniu nazywana jest magnetyzmem szczątkowym, BR .
Powodem tego jest fakt, że niektóre z maleńkich magnesów molekularnych nie powracają do całkowicie przypadkowego wzorca i nadal wskazują kierunek pierwotnego pola magnetyzującego, co daje im swego rodzaju „pamięć”. Niektóre materiały ferromagnetyczne mają wysoką retentywność (magnetycznie twarde), co czyni je doskonałymi do produkcji magnesów stałych.
While inne materiały ferromagnetyczne mają niską retentywność (magnetycznie miękkie), co czyni je idealnymi do stosowania w elektromagnesach, solenoidach lub przekaźnikach. Jednym ze sposobów na zmniejszenie tej gęstości strumienia szczątkowego do zera jest odwrócenie kierunku prądu płynącego przez cewkę, dzięki czemu wartość H, natężenia pola magnetycznego jest ujemna. Efekt ten nazywany jest siłą koercji, HC .
Jeśli ten prąd wsteczny jest zwiększany dalej, gęstość strumienia będzie również wzrastać w kierunku odwrotnym, aż rdzeń ferromagnetyczny osiągnie nasycenie ponownie, ale w kierunku odwrotnym niż poprzednio. Zmniejszenie prądu magnesującego i ponownie do zera spowoduje wytworzenie podobnej ilości magnetyzmu szczątkowego, ale w odwrotnym kierunku.
Przez ciągłą zmianę kierunku prądu magnesującego przez cewkę z kierunku dodatniego na kierunek ujemny, tak jak w przypadku zasilania prądem zmiennym, można wytworzyć pętlę histerezy magnetycznej rdzenia ferromagnetycznego.
Pętla histerezy magnetycznej
Pętla histerezy magnetycznej powyżej, pokazuje graficznie zachowanie rdzenia ferromagnetycznego, ponieważ zależność między B i H jest nieliniowa. Zaczynając od rdzenia niemagnetycznego zarówno B i H będzie na zero, punkt 0 na krzywej magnesowania.
Jeśli prąd magnesujący, i jest zwiększona w kierunku dodatnim do pewnej wartości natężenie pola magnetycznego H wzrasta liniowo z i, a gęstość strumienia B będzie również wzrastać, jak pokazano na krzywej z punktu 0 do punktu a, jak głowy w kierunku nasycenia.
Teraz, jeśli prąd magnesujący w cewce jest zmniejszona do zera, pole magnetyczne krążące wokół rdzenia również zmniejsza się do zera. Jednak strumień magnetyczny cewki nie osiągnie zera ze względu na magnetyzm szczątkowy obecny w rdzeniu i jest to pokazane na krzywej od punktu a do punktu b.
Aby zmniejszyć gęstość strumienia w punkcie b do zera musimy odwrócić prąd płynący przez cewkę. Siła magnetyzująca, która musi być przyłożona, aby zniwelować gęstość strumienia szczątkowego nazywana jest „siłą koercji”. Siła ta odwraca pole magnetyczne zmieniając układ magnesów molekularnych, aż do namagnesowania rdzenia w punkcie c.
Zwiększenie prądu wstecznego powoduje namagnesowanie rdzenia w przeciwnym kierunku, a dalsze zwiększenie prądu magnesującego spowoduje osiągnięcie przez rdzeń punktu nasycenia, ale w przeciwnym kierunku, punkt d na krzywej.
Punkt ten jest symetryczny do punktu b. Jeżeli prąd magnesujący zostanie ponownie zmniejszony do zera, to magnetyzm szczątkowy obecny w rdzeniu będzie równy poprzedniej wartości, ale w kierunku odwrotnym, w punkcie e.
Ponownie odwrócenie prądu magnesującego płynącego przez cewkę, tym razem w kierunku dodatnim, spowoduje, że strumień magnetyczny osiągnie zero, punkt f na krzywej i tak jak poprzednio dalsze zwiększanie prądu magnesującego w kierunku dodatnim spowoduje, że rdzeń osiągnie nasycenie w punkcie a.
Krzywa B-H podąża ścieżką a-b-c-d-e-f-a, ponieważ prąd magnesujący płynący przez cewkę zmienia się pomiędzy wartością dodatnią i ujemną, tak jak cykl napięcia AC. Ta ścieżka nazywa się pętlą histerezy magnetycznej.
Efekt histerezy magnetycznej pokazuje, że proces namagnesowania rdzenia ferromagnetycznego, a zatem gęstość strumienia zależy od tego, na której części krzywej rdzeń ferromagnetyczny jest namagnesowany, ponieważ zależy to od przeszłości obwodów dając rdzeniowi formę „pamięci”. Następnie materiały ferromagnetyczne mają pamięć, ponieważ pozostają namagnesowane po usunięciu zewnętrznego pola magnetycznego.
Jednakże miękkie materiały ferromagnetyczne, takie jak żelazo lub stal krzemowa, mają bardzo wąskie pętle histerezy magnetycznej, co skutkuje bardzo małą ilością magnetyzmu szczątkowego, co czyni je idealnymi do stosowania w przekaźnikach, solenoidach i transformatorach, ponieważ można je łatwo namagnesować i rozmagnesować.
Ponieważ do przezwyciężenia tego magnetyzmu szczątkowego musi być przyłożona siła przymusu, praca musi być wykonana przy zamykaniu pętli histerezy, przy czym zużyta energia jest rozpraszana jako ciepło w materiale magnetycznym. To ciepło jest znane jako straty histerezy, ilość strat zależy od wartości siły koercji materiału.
Dodając dodatki do metalu żelaza, takie jak krzem, materiały z bardzo małą siłą koercji mogą być wykonane, które mają bardzo wąską pętlę histerezy. Materiały o wąskich pętlach histerezy łatwo ulegają namagnesowaniu i rozmagnesowaniu i są znane jako materiały magnetycznie miękkie.
Pętle histerezy magnetycznej dla materiałów miękkich i twardych
Histereza magnetyczna powoduje rozpraszanie zmarnowanej energii w postaci ciepła, przy czym zmarnowana energia jest proporcjonalna do powierzchni pętli histerezy magnetycznej. Straty histerezy zawsze będą problemem w transformatorach prądu przemiennego, gdzie prąd stale zmienia kierunek, a zatem bieguny magnetyczne w rdzeniu będą powodować straty, ponieważ stale odwracają kierunek.
Obracające się cewki w maszynach prądu stałego również będą ponosić straty histerezy, ponieważ na przemian przechodzą przez północne i południowe bieguny magnetyczne. Jak wspomniano wcześniej, kształt pętli histerezy zależy od rodzaju użytego żelaza lub stali, a w przypadku żelaza, które jest poddawane masywnym odwróceniom magnetyzmu, na przykład rdzenie transformatorów, ważne jest, aby pętla histerezy B-H była jak najmniejsza.
W następnym przewodniku o elektromagnetyzmie przyjrzymy się prawu indukcji elektromagnetycznej Faradaya i zobaczymy, że poruszając przewodnikiem z drutu w stacjonarnym polu magnetycznym, można wywołać prąd elektryczny w przewodniku, tworząc prosty generator.
Dodaj komentarz