Durchlässigkeit und Sättigung

Die Nichtlinearität der Materialpermeabilität kann zum besseren Verständnis grafisch dargestellt werden. Wir platzieren die Feldstärke (H), die gleich der Feldstärke (mmf) dividiert durch die Länge des Materials ist, auf der horizontalen Achse des Diagramms. Auf der vertikalen Achse platzieren wir die Menge der Flussdichte (B), die dem Gesamtfluss dividiert durch die Querschnittsfläche des Materials entspricht.

Wir werden die Größen Feldstärke (H) und Flussdichte (B) anstelle von Feldstärke (mmf) und Gesamtfluss (Φ) verwenden, damit die Form unseres Diagramms unabhängig von den physikalischen Abmessungen unseres Testmaterials bleibt. Was wir hier versuchen, ist eine mathematische Beziehung zwischen Feldkraft und Fluss für jede zu zeigen Stück einer bestimmten Substanz, im Sinne der Beschreibung der spezifischen Beständigkeit eines Materials in Ohm-cmil/ft anstelle des tatsächlichen Widerstands in Ohm.

Dies wird als normale Magnetisierungskurve bezeichnet , oder B-H-Kurve , für ein bestimmtes Material. Beachten Sie, wie sich die Flussdichte für eines der oben genannten Materialien (Gusseisen, Stahlguss und Stahlblech) mit zunehmender Feldstärke einpendelt. Dieser Effekt wird als Sättigung bezeichnet . Bei geringer angelegter magnetischer Kraft (niedriger H) sind nur wenige Atome ausgerichtet und der Rest lässt sich mit zusätzlicher Kraft leicht ausrichten.

Da jedoch mehr Fluss in die gleiche Querschnittsfläche eines ferromagnetischen Materials gequetscht wird, stehen weniger Atome in diesem Material zur Verfügung, um ihre Elektronen mit zusätzlicher Kraft auszurichten, und daher braucht es immer mehr Kraft (H), um immer weniger zu bekommen „Hilfe“ vom Material, um mehr Flussdichte zu erzeugen (B). Um dies in wirtschaftlich zu fassen ausgedrückt, sehen wir einen Fall von abnehmenden Renditen (B) auf unsere Investition (H). Sättigung ist ein Phänomen, das auf Elektromagnete mit Eisenkern beschränkt ist.

Elektromagnete mit Luftkern sättigen nicht, aber andererseits erzeugen sie nicht annähernd so viel Magnetfluss wie ein ferromagnetischer Kern für die gleiche Anzahl von Drahtwindungen und Strom.

Magnetische Hysterese

Eine weitere Eigenart, die unsere Analyse des magnetischen Flusses im Vergleich zur Kraft durcheinander bringt, ist das Phänomen der magnetischen Hysterese . Als allgemeiner Begriff Hysterese bedeutet eine Verzögerung zwischen Input und Output in einem System bei einer Richtungsänderung. Jeder, der schon einmal ein altes Auto mit „lockerer“ Lenkung gefahren ist, weiß, was Hysterese ist:Um vom Links- zum Rechts-Abbiegen (oder umgekehrt) zu wechseln, muss man das Lenkrad zusätzlich drehen, um den eingebauten „Lag“ zu überwinden. im mechanischen Verbindungssystem zwischen dem Lenkrad und den Vorderrädern des Autos.

In einem magnetischen System tritt Hysterese in einem ferromagnetischen Material auf, das dazu neigt, magnetisiert zu bleiben, nachdem eine angelegte Feldkraft entfernt wurde (siehe „Remanenz“ im ersten Abschnitt dieses Kapitels), wenn die Polarität der Kraft umgekehrt wird.

Lassen Sie uns denselben Graphen noch einmal verwenden und nur die Achsen verlängern, um sowohl positive als auch negative Größen anzuzeigen. Zuerst wenden wir eine zunehmende Feldkraft an (Strom durch die Spulen unseres Elektromagneten). Wir sollten die Flussdichtezunahme (nach oben und nach rechts) gemäß der normalen Magnetisierungskurve sehen:

Als nächstes stoppen wir den Strom durch die Spule des Elektromagneten und sehen, was mit dem Fluss passiert, und lassen die erste Kurve noch im Diagramm:

Aufgrund der Remanenz des Materials haben wir immer noch einen magnetischen Fluss ohne aufgebrachte Kraft (kein Strom durch die Spule). Unser Elektromagnetkern wirkt an dieser Stelle als Dauermagnet. Jetzt werden wir langsam die gleiche Magnetfeldstärke im Gegenteil anlegen Richtung zu unserem Muster:

Die Flussdichte hat jetzt einen Punkt erreicht, der dem entspricht, was sie bei einem vollen positiven Wert der Feldstärke (H) war, außer in der negativen oder entgegengesetzten Richtung. Lassen Sie uns den Strom durch die Spule wieder stoppen und sehen, wie viel Fluss noch übrig ist:

Wiederum hält es aufgrund der natürlichen Remanenz des Materials einen magnetischen Fluss, ohne dass an die Spule Strom angelegt wird, außer dass dieses Mal in einer entgegengesetzten Richtung zu der des letzten Mal ist, als wir den Strom durch die Spule unterbrochen haben. Wenn wir die Leistung erneut in positiver Richtung anwenden, sollten wir sehen, dass die Flussdichte wieder ihren vorherigen Höhepunkt in der oberen rechten Ecke des Diagramms erreicht:

Die „S“-förmige Kurve, die von diesen Schritten gezeichnet wird, bildet die sogenannte Hysteresekurve eines ferromagnetischen Materials für einen gegebenen Satz von Feldintensitätsextremen (-H und +H).

Beispiel für Hysterese in Automobilen

Betrachten Sie ein Hysterese-Diagramm für das zuvor beschriebene Automobil-Lenkungsszenario, wobei ein Diagramm ein „enges“ Lenksystem und eins ein „lockeres“ System darstellt:

Ebenso wie bei Autolenksystemen kann die Hysterese ein Problem sein. Wenn Sie ein System so konstruieren, dass es bei gegebenen Stromstärken präzise Magnetfeldflüsse erzeugt, kann die Hysterese dieses Designziel behindern (aufgrund der Tatsache, dass die Flussdichte von der Stromstärke und wie stark es vorher magnetisiert war!). Ebenso ist ein lockeres Lenksystem in einem Rennwagen inakzeptabel, wo eine präzise, ​​wiederholbare Lenkreaktion erforderlich ist.

Außerdem kann es eine Energieverschwendung sein, die vorherige Magnetisierung in einem Elektromagneten überwinden zu müssen, wenn der zum Erregen der Spule verwendete Strom hin und her (AC) wechselt. Die Fläche innerhalb der Hysteresekurve gibt eine grobe Schätzung der Menge dieser verschwendeten Energie wieder.

Zu anderen Zeiten ist magnetische Hysterese eine wünschenswerte Sache. Dies ist der Fall, wenn magnetische Materialien als Mittel zum Speichern von Informationen verwendet werden (Computerdisketten, Audio- und Videobänder). Bei diesen Anwendungen ist es wünschenswert, einen Eisenoxidfleck (Ferrit) magnetisieren zu können und sich auf die Remanenz dieses Materials zu verlassen, um sich an seinen letzten magnetisierten Zustand zu „erinnern“.

Eine weitere produktive Anwendung für magnetische Hysterese ist das Filtern von hochfrequentem elektromagnetischem „Rauschen“ (schnell wechselnde Spannungsstöße) aus Signalleitungen, indem diese Leitungen durch die Mitte eines Ferritrings geführt werden. Die zur Überwindung der Ferrithysterese verbrauchte Energie dämpft die Stärke des „Rauschen“-Signals. Interessanterweise ist die Hysteresekurve von Ferrit ziemlich extrem:

RÜCKBLICK:

• Die Permeabilität von Material ändert sich mit der Menge des durch sie hindurch erzwungenen magnetischen Flusses.
• Das spezifische Verhältnis von Kraft zu Fluss (Feldstärke H zu Flussdichte B) wird in einer Form dargestellt, die als normale Magnetisierungskurve bezeichnet wird .
• Es ist möglich, auf ein ferromagnetisches Material so viel magnetische Feldkraft aufzubringen, dass kein Fluss mehr hineingedrückt werden kann. Dieser Zustand wird als magnetische Sättigung bezeichnet .
• Wenn die Aufbewahrung eines ferromagnetischen Stoffes stört seine Ummagnetisierung in die entgegengesetzte Richtung, ein Zustand, der als Hysterese bekannt ist auftritt.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt für mittleren Elektromagnetismus und elektromagnetische Induktion
• Arbeitsblatt zu magnetischen Maßeinheiten