Permeabiliteit en verzadiging

De niet-lineariteit van materiaalpermeabiliteit kan worden grafisch weergegeven voor een beter begrip. We plaatsen de hoeveelheid veldintensiteit (H), gelijk aan veldkracht (mmf) gedeeld door de lengte van het materiaal, op de horizontale as van de grafiek. Op de verticale as plaatsen we de hoeveelheid fluxdichtheid (B), gelijk aan de totale flux gedeeld door de dwarsdoorsnede van het materiaal.

We zullen de hoeveelheden veldintensiteit (H) en fluxdichtheid (B) gebruiken in plaats van veldkracht (mmf) en totale flux (Φ), zodat de vorm van onze grafiek onafhankelijk blijft van de fysieke afmetingen van ons testmateriaal. Wat we hier proberen te doen, is een wiskundige relatie laten zien tussen veldkracht en flux voor elke stuk van een bepaalde stof, in dezelfde geest als het beschrijven van de specifieke weerstand van een materiaal in ohm-cmil/ft in plaats van de werkelijke weerstand in ohm.

Dit wordt de normale magnetisatiecurve genoemd , of BH-curve , voor een bepaald materiaal. Merk op hoe de fluxdichtheid voor elk van de bovengenoemde materialen (gietijzer, gietstaal en plaatstaal) afvlakt met toenemende veldintensiteit. Dit effect staat bekend als verzadiging . Wanneer er weinig magnetische kracht wordt uitgeoefend (lage H), zijn slechts een paar atomen uitgelijnd en de rest kan gemakkelijk worden uitgelijnd met extra kracht.

Naarmate er echter meer flux in hetzelfde dwarsdoorsnede-oppervlak van een ferromagnetisch materiaal wordt gepropt, zijn er minder atomen beschikbaar in dat materiaal om hun elektronen met extra kracht uit te lijnen, en dus is er steeds meer kracht (H) nodig om steeds minder "hulp" van het materiaal bij het creëren van meer fluxdichtheid (B). Om dit in economisch te zetten termen zien we een geval van afnemend rendement (B) op onze investering (H). Verzadiging is een fenomeen dat beperkt is tot elektromagneten met ijzeren kern.

Elektromagneten met luchtkern verzadigen niet, maar aan de andere kant produceren ze lang niet zoveel magnetische flux als een ferromagnetische kern voor hetzelfde aantal draadwindingen en stroom.

Magnetische hysterese

Een andere gril die onze analyse van magnetische flux versus kracht in de war brengt, is het fenomeen magnetische hysterese . Als algemene term, hysterese betekent een vertraging tussen input en output in een systeem bij een verandering van richting. Iedereen die ooit in een oude auto met "losse" besturing heeft gereden, weet wat hysterese is:om te veranderen van linksaf naar rechtsaf (of omgekeerd), moet je het stuur een extra stukje draaien om de ingebouwde "vertraging" te overwinnen in het mechanische koppelingssysteem tussen het stuur en de voorwielen van de auto.

In een magnetisch systeem wordt hysterese gezien in een ferromagnetisch materiaal dat de neiging heeft om gemagnetiseerd te blijven nadat een aangelegde veldkracht is verwijderd (zie "behoud" in de eerste sectie van dit hoofdstuk) als de kracht in polariteit wordt omgekeerd.

Laten we dezelfde grafiek opnieuw gebruiken, alleen de assen verlengen om zowel positieve als negatieve grootheden aan te geven. Eerst passen we een toenemende veldkracht toe (stroom door de spoelen van onze elektromagneet). We zouden de fluxdichtheid moeten zien toenemen (naar boven en naar rechts gaan) volgens de normale magnetisatiecurve:

Vervolgens stoppen we de stroom die door de spoel van de elektromagneet gaat en kijken wat er met de flux gebeurt, waarbij de eerste curve nog steeds in de grafiek blijft:

Vanwege de remanentie van het materiaal hebben we nog steeds een magnetische flux zonder uitgeoefende kracht (geen stroom door de spoel). Onze elektromagneetkern fungeert op dit moment als een permanente magneet. Nu zullen we langzaam dezelfde hoeveelheid magnetische veldkracht toepassen in de tegenovergestelde richting naar ons voorbeeld:

De fluxdichtheid heeft nu een punt bereikt dat gelijk is aan wat het was met een volledige positieve waarde van veldintensiteit (H), behalve in de negatieve of tegengestelde richting. Laten we stoppen met de stroom die door de spoel gaat en kijken hoeveel flux er nog over is:

Nogmaals, vanwege de natuurlijke remanentie van het materiaal, zal het een magnetische flux vasthouden zonder dat er stroom op de spoel wordt uitgeoefend, behalve deze keer in een richting tegengesteld aan die van de laatste keer dat we de stroom door de spoel stopten. Als we kracht opnieuw in een positieve richting toepassen, zouden we moeten zien dat de fluxdichtheid opnieuw zijn eerdere piek in de rechterbovenhoek van de grafiek bereikt:

De "S"-vormige curve die door deze stappen wordt gevolgd, vormt de zogenaamde hysteresecurve van een ferromagnetisch materiaal voor een gegeven reeks extremen van de veldintensiteit (-H en +H).

Voorbeeld van hysterese in auto's

Overweeg een hysteresegrafiek voor het eerder beschreven autostuurscenario, een grafiek die een "strak" stuursysteem weergeeft en een die een "los" systeem weergeeft:

Net als bij stuursystemen in auto's kan hysterese een probleem zijn. Als u een systeem ontwerpt om precieze hoeveelheden magnetische veldflux te produceren voor gegeven hoeveelheden stroom, kan hysterese dit ontwerpdoel belemmeren (vanwege het feit dat de hoeveelheid fluxdichtheid zou afhangen van de stroom en hoe sterk het voorheen gemagnetiseerd was!). Evenzo is een los stuursysteem onaanvaardbaar in een raceauto, waar een nauwkeurige, herhaalbare stuurrespons een noodzaak is.

Ook het overwinnen van eerdere magnetisatie in een elektromagneet kan een verspilling van energie zijn als de stroom die wordt gebruikt om de spoel te bekrachtigen heen en weer (AC) gaat. Het gebied binnen de hysteresiscurve geeft een ruwe schatting van de hoeveelheid van deze verspilde energie.

Andere keren is magnetische hysterese wenselijk. Dat is het geval wanneer magnetische materialen worden gebruikt voor het opslaan van informatie (computerschijven, audio- en videobanden). Bij deze toepassingen is het wenselijk om een ​​stukje ijzeroxide (ferriet) te magnetiseren en te vertrouwen op de retentiekracht van dat materiaal om zijn laatste gemagnetiseerde toestand te "herinneren".

Een andere productieve toepassing voor magnetische hysterese is het filteren van hoogfrequente elektromagnetische "ruis" (snel wisselende spanningspieken) van signaalbedrading door die draden door het midden van een ferrietring te leiden. De energie die wordt verbruikt om de hysterese van ferriet te overwinnen, verzwakt de sterkte van het "ruis"-signaal. Interessant genoeg is de hysteresecurve van ferriet behoorlijk extreem:

BEOORDELING:

• De permeabiliteit van materiaal verandert met de hoeveelheid magnetische flux die er doorheen wordt gedwongen.
• De specifieke relatie tussen kracht en flux (veldintensiteit H tot fluxdichtheid B) wordt weergegeven in een grafiek die de normale magnetisatiecurve wordt genoemd. .
• Het is mogelijk om zoveel magnetische veldkracht op een ferromagnetisch materiaal uit te oefenen dat er geen flux meer in kan worden gepropt. Deze toestand staat bekend als magnetische verzadiging .
• Als de retentie van een ferromagnetische stof interfereert met de hermagnetisatie ervan in de tegenovergestelde richting, een toestand die bekend staat als hysterese gebeurt.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Intermediair elektromagnetisme en elektromagnetische inductie werkblad
• werkblad magnetische meeteenheden