Magnetisk hysteresis

Vi vet att det magnetiska flödet som genereras av en elektromagnetisk spole är mängden magnetfält eller kraftlinjer som produceras inom ett givet område och att det vanligen kallas ”flödestäthet”. Med symbolen B och enheten för flödestäthet är Tesla, T.

Vi vet också från de tidigare övningarna att den magnetiska styrkan hos en elektromagnet beror på antalet varv i spolen, strömmen som flyter genom spolen eller vilken typ av kärnmaterial som används, och om vi ökar antingen strömmen eller antalet varv kan vi öka den magnetiska fältstyrkan, symbolen H.

Förr definierades den relativa permeabiliteten, symbol μr, som förhållandet mellan den absoluta permeabiliteten μ och det fria rummets permeabilitet μo (ett vakuum) och detta gavs som en konstant. Förhållandet mellan flödestätheten B och den magnetiska fältstyrkan H kan emellertid definieras genom att den relativa permeabiliteten μr inte är en konstant utan en funktion av den magnetiska fältstyrkan, vilket ger den magnetiska flödestätheten som: B = μ H.

Då kommer den magnetiska flödestätheten i materialet att öka med en större faktor som ett resultat av dess relativa permeabilitet för materialet jämfört med den magnetiska flödestätheten i vakuum, μoH och för en luftfylld spole ges detta förhållande som:

För ferromagnetiska material är alltså förhållandet mellan flödestäthet och fältstyrka ( B/H ) inte konstant utan varierar med flödestätheten. För spolar med luftkärnor eller andra icke-magnetiska mediumkärnor, t.ex. trä eller plast, kan dock detta förhållande betraktas som en konstant och denna konstant kallas μo, det fria rummets permeabilitet, ( μo = 4.π.10-7 H/m ).

Om värden för flödestätheten ( B ) plottas mot fältstyrkan ( H ) kan vi få fram en uppsättning kurvor som kallas magnetiseringskurvor, magnetiska hysteresekurvor eller vanligare B-H-kurvor för varje typ av kärnmaterial som används, vilket visas nedan.

Magnetiserings- eller B-H-kurva

Magnetiseringskurvorna M ovan är ett exempel på förhållandet mellan B och H för kärnor av mjukt järn och stål, men varje typ av kärnmaterial kommer att ha sin egen uppsättning magnetiska hysteresekurvor. Du kanske märker att flödestätheten ökar i proportion till fältstyrkan tills den når ett visst värde där den inte kan öka mer och blir nästan jämn och konstant när fältstyrkan fortsätter att öka.

Detta beror på att det finns en gräns för hur mycket flödestäthet som kan genereras av kärnan eftersom alla domäner i järnet är perfekt inriktade. Varje ytterligare ökning kommer inte att ha någon effekt på värdet av M, och den punkt på grafen där flödestätheten når sin gräns kallas magnetisk mättnad även känd som kärnans mättnad och i vårt enkla exempel ovan börjar mättnadspunkten för stålkurvan vid cirka 3000 ampere-turneringar per meter.

Mättnaden inträffar eftersom, som vi minns från den tidigare magnetismhandledningen som innehöll Webers teori, det slumpmässiga slumpmässiga arrangemanget av molekylstrukturen i kärnmaterialet förändras när de små molekylära magneterna i materialet blir ”uppradade”.

När den magnetiska fältstyrkan, ( H ) ökar blir dessa molekylära magneter mer och mer uppradade tills de når perfekt uppradning som ger maximal flödestäthet och varje ökning av den magnetiska fältstyrkan på grund av en ökning av den elektriska strömmen som flödar genom spolen kommer att ha liten eller ingen effekt.

Retentivitet

Låtsas att vi antar att vi har en elektromagnetisk spole med hög fältstyrka på grund av strömmen som flödar genom den och att det ferromagnetiska kärnmaterialet har nått sin mättnadspunkt, maximal flödestäthet. Om vi nu öppnar en strömbrytare och tar bort den magnetiserande strömmen som flyter genom spolen skulle vi förvänta oss att magnetfältet runt spolen försvinner eftersom det magnetiska flödet minskar till noll.

Det magnetiska flödet försvinner dock inte helt eftersom det elektromagnetiska kärnmaterialet fortfarande behåller en del av sin magnetism även när strömmen har upphört att flyta i spolen. Denna förmåga för en spole att behålla en del av sin magnetism i kärnan efter att magnetiseringsprocessen har upphört kallas Retentivitet eller remanens, medan den mängd flödestäthet som fortfarande finns kvar i kärnan kallas Residual Magnetism, BR .

Anledningen till detta är att en del av de små molekylära magneterna inte återvänder till ett helt slumpmässigt mönster utan fortfarande pekar i riktning mot det ursprungliga magnetiseringsfältet vilket ger dem ett slags ”minne”. Vissa ferromagnetiska material har hög retentivitet (magnetiskt hårda), vilket gör dem utmärkta för tillverkning av permanentmagneter.

Men andra ferromagnetiska material har låg retentivitet (magnetiskt mjuka), vilket gör dem idealiska för användning i elektromagneter, solenoider eller reläer. Ett sätt att minska denna kvarvarande flödestäthet till noll är att vända riktning på strömmen som flyter genom spolen, vilket gör att värdet på H, den magnetiska fältstyrkan, blir negativt. Denna effekt kallas koercitivkraft, HC .

Om denna omvända ström ökas ytterligare kommer flödestätheten också att öka i omvänd riktning tills den ferromagnetiska kärnan når mättnad igen, men i omvänd riktning från tidigare. Om magnetiseringsströmmen i återigen minskas till noll kommer en liknande mängd kvarvarande magnetism att produceras, men i motsatt riktning.

Då kan man genom att ständigt ändra riktningen på magnetiseringsströmmen genom spolen från en positiv riktning till en negativ riktning, vilket skulle vara fallet i en växelströmsförsörjning, producera en magnetisk hysteresis-slinga i den ferromagnetiska kärnan.

Magnetisk hystereseslinga

Den magnetiska hystereseslingan ovan visar grafiskt hur en ferromagnetisk kärna beter sig, eftersom förhållandet mellan B och H inte är linjärt. Om man börjar med en omagnetiserad kärna kommer både B och H att vara noll, punkt 0 på magnetiseringskurvan.

Om magnetiseringsströmmen i ökas i positiv riktning till ett visst värde ökar den magnetiska fältstyrkan H linjärt med i och flödestätheten B kommer också att öka, vilket visas av kurvan från punkt 0 till punkt a när den närmar sig mättnad.

Om magnetiseringsströmmen i spolen minskas till noll, minskar det magnetiska fältet som cirkulerar runt kärnan också till noll. Spolens magnetiska flöde kommer dock inte att nå noll på grund av den kvarvarande magnetismen som finns i kärnan och detta visas på kurvan från punkt a till punkt b.

För att minska flödestätheten i punkt b till noll måste vi vända strömmen som flyter genom spolen. Den magnetiserande kraft som måste tillämpas för att nollställa den kvarvarande flödestätheten kallas ”koercitivkraft”. Denna koercitiva kraft vänder magnetfältet och omorganiserar de molekylära magneterna tills kärnan avmagnetiseras i punkt c.

En ökning av denna omvända ström gör att kärnan magnetiseras i motsatt riktning och en ytterligare ökning av denna magnetiseringsström kommer att leda till att kärnan når sin mättnadspunkt men i motsatt riktning, punkt d på kurvan.

Denna punkt är symmetrisk till punkt b. Om magnetiseringsströmmen återigen minskas till noll kommer den kvarvarande magnetismen i kärnan att vara lika stor som det tidigare värdet men i motsatt riktning vid punkt e.

Och om man återigen vänder den magnetiserande strömmen som flyter genom spolen, denna gång i positiv riktning, kommer det magnetiska flödet att nå noll, punkt f på kurvan, och som tidigare kommer en ytterligare ökning av den magnetiserande strömmen i positiv riktning att leda till att kärnan når mättnad vid punkt a.

Därefter följer B-H-kurvan banan a-b-c-c-d-e-f-a då den magnetiserande strömmen som flyter genom spolen växlar mellan ett positivt och ett negativt värde, som t.ex. cykeln för en växelspänning. Denna väg kallas en magnetisk hystereseslinga.

Den magnetiska hysteresens effekt visar att magnetiseringen av en ferromagnetisk kärna och därmed flödestätheten beror på vilken del av kurvan som den ferromagnetiska kärnan magnetiseras på, eftersom detta beror på kretsens tidigare historia, vilket ger kärnan en form av ”minne”. Ferromagnetiska material har ett minne eftersom de förblir magnetiserade efter det att det yttre magnetfältet har avlägsnats.

Men mjuka ferromagnetiska material som järn eller kiselstål har mycket smala magnetiska hystereseslingor som resulterar i mycket små mängder kvarvarande magnetism, vilket gör att de är idealiska för användning i reläer, solenoider och transformatorer, eftersom de lätt kan magnetiseras och avmagnetiseras.

Då en tvingande kraft måste tillföras för att övervinna denna kvarvarande magnetism, måste arbete utföras för att stänga hystereseslingan och den energi som används avges som värme i det magnetiska materialet. Denna värme är känd som hysteresförlust, förlustens storlek beror på materialets värde av koercitivkraft.

Då man lägger till tillsatser till järnmetallen, t.ex. kisel, kan man tillverka material med en mycket liten koercitivkraft som har en mycket smal hystereseslinga. Material med smala hystereseslingor är lätta att magnetisera och avmagnetisera och kallas mjukmagnetiska material.

Magnetiska hystereseslingor för mjuka och hårda material

Magnetisk hysteres resulterar i att slösad energi går till spillo i form av värme, där den slösade energin är proportionell mot arean av den magnetiska hystereseslingan. Hystereseförluster kommer alltid att vara ett problem i växelströmstransformatorer där strömmen ständigt ändrar riktning och därmed kommer de magnetiska polerna i kärnan att orsaka förluster eftersom de ständigt byter riktning.

Roterande spolar i likströmsmaskiner kommer också att medföra hystereseförluster eftersom de växelvis passerar de magnetiska polerna i norr och söder. Som tidigare nämnts beror hystereseslingans form på vilket slags järn eller stål som används och när det gäller järn som utsätts för massiva omkastningar av magnetism, t.ex. transformatorkärnor, är det viktigt att B-H-hystereseslingan är så liten som möjligt.

I nästa handledning om elektromagnetism kommer vi att titta på Faradays lag om elektromagnetisk induktion och se att genom att flytta en trådledare inom ett stationärt magnetfält är det möjligt att inducera en elektrisk ström i ledaren och producera en enkel generator.