Permeabiliteit, verzadiging en magnetische hysterese: B-H curves interpreteren

Om te visualiseren hoe een materiaal zijn permeabiliteit varieert, plotten we de magnetische veldintensiteit (H) op de horizontale as en de resulterende fluxdichtheid (B) op de verticale as. Door H (mmk gedeeld door materiële lengte) en B (totale flux gedeeld door dwarsdoorsnede) te gebruiken, verwijderen we afhankelijkheid van het monster zijn grootte, wat een universele vergelijking van enig materiaal zijn magnetische respons mogelijk maakt - net als het gebruik van ohm-cmil/ft om weerstand te beschrijven ongeacht draadlengte.

Deze grafiek, bekend als de normale magnetisatiecurve of B-H curve, onthult het verzadigingsfenomeen. Voor materialen zoals gietijzer, gietstaal en platenstaal, vervaagt de fluxdichtheid naarmate de veldintensiteit toeneemt. Initieel lijnen slechts enkele magnetische domeinen zich uit, dus additionele veldkracht verhoogt B gemakkelijk. Eenmaal de domeinen grotendeels uitgelijnd zijn, leveren meer veldkracht afnemende opbrengsten op; het materiaal bereikt magnetische verzadiging en kan geen additionele flux accommoderen.

Luchtkern-elektromagneten verzadigen nooit, maar genereren veel minder flux dan een ferromagnetische kern voor hetzelfde aantal windingen en stroom.

Magnetische hysterese

Hysterese is de achterstand tussen een toegepast magnetisch veld en de resulterende flux. In mechanische systemen illustreert stuurbare hysterese dit: een stuurwiel links en rechts draaien vereist extra rotatie om de koppeling zijn inherente achterstand te overwinnen. In magnetische systemen behoudt een ferromagnetische kern magnetisatie na het verwijderen van het toegepaste veld - een eigenschap bekend als retentiviteit. Wanneer de veldpolariteit omkeert, weerstaat de kern demagnetisatie, producerend een karakteristieke S-vormige hysterese-lus.

Overweeg de volgende sequentie:

1. Pas een stijgend veld toe; B stijgt langs de voorwaartse magnetisatiecurve.

2. Staak stroom; de kern behoudt een residuele flux gelijk aan de piek B bij nul toegepast veld.

3. Pas omgekeerd veld toe; de fluxdichtheid volgt de omgekeerde tak van de curve tot het de positieve piek in de tegenovergestelde richting spiegelt.

4. Staak stroom weer; de kern houdt nu een residuele flux in de negatieve richting.

5. Pas positieve stroom opnieuw toe; de flux klimt terug naar de oorspronkelijke positieve piek, de hysterese-lus completend.

De door deze lus omsloten oppervlakte schat de energieverlies door magnetische wrijving per cyclus.

Voorbeeld van hysterese in automobielen

Hysterese verschijnt ook in voertuig stuurstelsels. Een strak systeem vertoont een steile curve - stuurveranderingen snel - terwijl een los systeem een meer geleidelijke helling toont, wat grotere achterstand aangeeft.

In precisietoepassingen zoals racen of elektromagnetisch circuitontwerp, kan hysterese nauwkeurigheid ondermijnen of energie verspillen. Omgekeerd, magnetische opslagapparaten en ferriet ruisfilters vertrouwen op intentionele hysterese om data te bewaren en hoge-frequentie pieken te dempen.

Samenvatting

• Materiaal permeabiliteit varieert met de hoeveelheid toegepaste magnetische flux.
• De relatie tussen veldintensiteit (H) en fluxdichtheid (B) wordt vastgelegd door de normale magnetisatie (B-H) curve.
• Overmatige veldkracht kan een ferromagnetisch materiaal in verzadiging duwen, waarbuiten additionele flux niet geaccommodeerd kan worden.
• Retentiviteit leidt tot hysterese, een achterstand in magnetisatie wanneer de veldrichting omkeert.

Gerelateerde werkbladen

• Intermediair Elektromagnetisme en Elektromagnetische Inductie Werkblad
• Magnetische Meeteenheden Werkblad