Histerezis magnetică

Știm că fluxul magnetic generat de o bobină electromagnetică este cantitatea de câmp magnetic sau de linii de forță produsă într-o anumită zonă și că este mai frecvent numită „densitate de flux”. Se dă simbolul B, unitatea de măsură a densității de flux fiind Tesla, T.

Știm, de asemenea, din tutorialele anterioare, că intensitatea magnetică a unui electromagnet depinde de numărul de spire ale bobinei, de curentul care trece prin bobină sau de tipul de material al miezului utilizat, iar dacă mărim fie curentul, fie numărul de spire, putem mări intensitatea câmpului magnetic, simbol H.

Anterior, permeabilitatea relativă, simbol μr, era definită ca fiind raportul dintre permeabilitatea absolută μ și permeabilitatea spațiului liber μo (un vid) și aceasta era dată ca o constantă. Cu toate acestea, relația dintre densitatea de flux, B și intensitatea câmpului magnetic, H, poate fi definită prin faptul că permeabilitatea relativă, μr, nu este o constantă, ci o funcție a intensității câmpului magnetic, dând astfel densitatea fluxului magnetic ca: B = μ H.

Înseamnă că densitatea fluxului magnetic în material va fi crescută cu un factor mai mare ca urmare a permeabilității sale relative pentru material în comparație cu densitatea fluxului magnetic în vid, μoH și pentru o bobină bobinată cu aer, această relație este dată de formula:

Atunci, pentru materialele feromagnetice, raportul dintre densitatea de flux și intensitatea câmpului ( B/H ) nu este constant, ci variază cu densitatea de flux. Cu toate acestea, pentru bobinele cu miez de aer sau pentru orice miez de mediu nemagnetic, cum ar fi lemnele sau materialele plastice, acest raport poate fi considerat ca fiind o constantă și această constantă este cunoscută sub numele de μo, permeabilitatea spațiului liber, ( μo = 4.π.10-7 H/m ).

Prin reprezentarea valorilor densității de flux, ( B ) în raport cu intensitatea câmpului, ( H ) putem produce un set de curbe numite Curbe de magnetizare, Curbe de histerezis magnetică sau, mai frecvent, Curbe B-H pentru fiecare tip de material de miez utilizat, așa cum se arată mai jos.

Curba de magnetizare sau curba B-H

Setul de curbe de magnetizare, M de mai sus reprezintă un exemplu al relației dintre B și H pentru miezurile din fier moale și oțel, dar fiecare tip de material de miez va avea propriul set de curbe de histerezis magnetică. Puteți observa că densitatea fluxului crește proporțional cu intensitatea câmpului până când ajunge la o anumită valoare la care nu mai poate crește, devenind aproape nivelată și constantă pe măsură ce intensitatea câmpului continuă să crească.

Acest lucru se datorează faptului că există o limită la cantitatea de densitate de flux care poate fi generată de miez, deoarece toate domeniile din fier sunt perfect aliniate. Orice altă creștere suplimentară nu va avea niciun efect asupra valorii lui M, iar punctul de pe grafic în care densitatea de flux atinge limita se numește saturație magnetică, cunoscută și sub numele de saturația miezului, iar în exemplul nostru simplu de mai sus, punctul de saturație al curbei de oțel începe la aproximativ 3000 de amperi-turnuri pe metru.

Saturarea are loc deoarece, după cum ne amintim din tutorialul anterior despre magnetism, care a inclus teoria lui Weber, aranjamentul aleatoriu aleatoriu al structurii moleculelor din materialul nucleului se schimbă pe măsură ce micii magneți moleculari din material devin „aliniați”.

Pe măsură ce intensitatea câmpului magnetic, ( H ) crește, acești magneți moleculari devin din ce în ce mai aliniați până când ajung la o aliniere perfectă, producând o densitate maximă de flux și orice creștere a intensității câmpului magnetic datorată unei creșteri a curentului electric care circulă prin bobină va avea un efect mic sau nul.

Retentivitate

Să presupunem că avem o bobină electromagnetică cu o intensitate mare a câmpului datorită curentului care circulă prin ea și că materialul feromagnetic al miezului a ajuns la punctul de saturație, densitatea maximă de flux. Dacă acum deschidem un întrerupător și eliminăm curentul de magnetizare care circulă prin bobină, ne-am aștepta ca câmpul magnetic din jurul bobinei să dispară pe măsură ce fluxul magnetic se reduce la zero.

Cu toate acestea, fluxul magnetic nu dispare complet, deoarece materialul nucleului electromagnetic păstrează încă o parte din magnetismul său chiar și atunci când curentul a încetat să mai circule în bobină. Această capacitate a unei bobine de a reține o parte din magnetismul său în interiorul miezului după ce procesul de magnetizare s-a oprit se numește Retentivitate sau remanență, în timp ce cantitatea de densitate de flux care rămâne încă în miez se numește Magnetism rezidual, BR .

Motivul pentru aceasta că unii dintre micii magneți moleculari nu se întorc la un model complet aleatoriu și încă mai indică în direcția câmpului de magnetizare inițial, ceea ce le conferă un fel de „memorie”. Unele materiale feromagnetice au o retentivitate ridicată (dure din punct de vedere magnetic), ceea ce le face excelente pentru producerea de magneți permanenți.

În timp ce alte materiale feromagnetice au o retentivitate scăzută (moi din punct de vedere magnetic), ceea ce le face ideale pentru utilizarea în electromagneți, solenoizi sau relee. O modalitate de a reduce această densitate de flux rezidual la zero este inversarea sensului curentului care trece prin bobină, făcând astfel ca valoarea lui H, intensitatea câmpului magnetic, să fie negativă. Acest efect se numește forță coercitivă, HC .

Dacă acest curent invers este mărit în continuare, densitatea de flux va crește, de asemenea, în sens invers până când miezul feromagnetic ajunge din nou la saturație, dar în sens invers față de cel anterior. Reducerea curentului de magnetizare, i încă o dată la zero va produce o cantitate similară de magnetism rezidual, dar în sens invers.

Atunci, prin schimbarea constantă a direcției curentului de magnetizare prin bobină de la o direcție pozitivă la una negativă, așa cum ar fi cazul într-o sursă de curent alternativ, se poate produce o buclă magnetică de histerezis a miezului feromagnetic.

Bucla de histerezis magnetică

Bucla de histerezis magnetică de mai sus, arată grafic comportamentul unui miez feromagnetic, deoarece relația dintre B și H este neliniară. Pornind de la un miez nemagnetizat, atât B cât și H vor fi la zero, punctul 0 pe curba de magnetizare.

Dacă curentul de magnetizare, i, este mărit în sens pozitiv până la o anumită valoare, intensitatea câmpului magnetic H crește liniar cu i, iar densitatea de flux B va crește, de asemenea, așa cum arată curba de la punctul 0 la punctul a, pe măsură ce se îndreaptă spre saturație.

Acum, dacă curentul de magnetizare din bobină este redus la zero, câmpul magnetic care circulă în jurul miezului se reduce, de asemenea, la zero. Cu toate acestea, fluxul magnetic al bobinei nu va ajunge la zero din cauza magnetismului rezidual prezent în miez și acest lucru este arătat pe curba de la punctul a la punctul b.

Pentru a reduce la zero densitatea fluxului în punctul b, trebuie să inversăm curentul care circulă prin bobină. Forța magnetizantă care trebuie aplicată pentru a anula densitatea de flux rezidual se numește „forță coercitivă”. Această forță coercitivă inversează câmpul magnetic rearanjând magneții moleculari până când miezul devine nemagnetizat în punctul c.

O creștere a acestui curent invers face ca miezul să fie magnetizat în direcția opusă, iar creșterea în continuare a acestui curent de magnetizare va face ca miezul să atingă punctul de saturație, dar în direcția opusă, punctul d de pe curbă.

Acest punct este simetric față de punctul b. Dacă curentul de magnetizare este redus din nou la zero, magnetismul rezidual prezent în miez va fi egal cu valoarea anterioară, dar în sens invers, în punctul e.

Încă o dată, inversarea curentului de magnetizare care trece prin bobină, de data aceasta în sens pozitiv, va face ca fluxul magnetic să ajungă la zero, punctul f de pe curbă și, ca și înainte, creșterea curentului de magnetizare în continuare în sens pozitiv va face ca miezul să ajungă la saturație în punctul a.

Apoi curba B-H urmează traiectoria a-b-c-d-d-e-f-a, deoarece curentul de magnetizare care trece prin bobină alternează între o valoare pozitivă și una negativă, cum ar fi ciclul unei tensiuni de curent alternativ. Această traiectorie se numește buclă de histerezis magnetică.

Efectul de histerezis magnetică arată că procesul de magnetizare a unui miez feromagnetic și, prin urmare, densitatea de flux depinde de partea din curbă pe care este magnetizat miezul feromagnetic, deoarece aceasta depinde de istoricul trecut al circuitelor, ceea ce conferă miezului o formă de „memorie”. Apoi, materialele feromagnetice au memorie deoarece rămân magnetizate și după ce câmpul magnetic extern a fost îndepărtat.

Cu toate acestea, materialele feromagnetice moi, cum ar fi fierul sau oțelul siliciu, au bucle de histerezis magnetică foarte înguste, rezultând cantități foarte mici de magnetism rezidual, ceea ce le face ideale pentru a fi utilizate în relee, solenoizi și transformatoare, deoarece pot fi ușor magnetizate și demagnetizate.

Din moment ce trebuie aplicată o forță coercitivă pentru a învinge acest magnetism rezidual, trebuie să se lucreze la închiderea buclei de histerezis, energia utilizată fiind disipată sub formă de căldură în materialul magnetic. Această căldură este cunoscută sub numele de pierdere de histerezis, cantitatea de pierdere depinde de valoarea forței coercitive a materialului.

Prin adăugarea de aditivi la fierul metalic, cum ar fi siliciul, se pot realiza materiale cu o forță coercitivă foarte mică care au o buclă de histerezis foarte îngustă. Materialele cu bucle de histerezis înguste sunt ușor de magnetizat și demagnetizat și sunt cunoscute ca materiale magnetice moi.

Bucle de histerezis magnetică pentru materiale moi și dure

Histerezisul magnetic are ca rezultat disiparea energiei irosite sub formă de căldură, energia irosită fiind proporțională cu aria buclei de histerezis magnetică. Pierderile prin histerezis vor fi întotdeauna o problemă în transformatoarele de curent alternativ, unde curentul își schimbă în mod constant direcția și, astfel, polii magnetici din miez vor cauza pierderi, deoarece își inversează în mod constant direcția.

Bobinele rotative din mașinile de curent continuu vor suferi, de asemenea, pierderi prin histerezis, deoarece trec alternativ prin polii magnetici nordici și sudici. După cum s-a spus anterior, forma buclei de histerezis depinde de natura fierului sau a oțelului utilizat, iar în cazul fierului care este supus unor inversiuni masive de magnetism, de exemplu miezurile transformatoarelor, este important ca bucla de histerezis B-H să fie cât mai mică posibil.

În următorul tutorial despre electromagnetism, vom analiza legea inducției electromagnetice a lui Faraday și vom vedea că prin deplasarea unui conductor de sârmă în interiorul unui câmp magnetic staționar este posibilă inducerea unui curent electric în conductor producând un generator simplu.

.