Manyetik Histerezis

Bu yazımızda manyetik histerezis konusunu işleyeceğiz. Bir elektromanyetik bobin tarafından üretilen manyetik akının, belirli bir alanda üretilen manyetik alan veya kuvvet çizgilerinin miktarı olduğunu ve buna daha yaygın olarak “Akı Yoğunluğu” denildiğini biliyoruz.

Bir elektromıknatısın manyetik gücünün, bobinin dönüş sayısına, bobinden geçen akıma veya kullanılan çekirdek malzemesinin türüne bağlı olduğunu önceki derslerden de biliyoruz. Akımı veya sargı sayısını arttırırsak, manyetik alan gücünü Artırabiliriz, Sembol H.

Daha önce bağıl geçirgenlik, sembol μr, mutlak geçirgenliğin μ ve boş alanın geçirgenliğinin μo (bir vakum) oranı olarak tanımlanıyordu ve bu bir sabit olarak verildi. Bununla birlikte, akı yoğunluğu, B ve manyetik alan gücü, H arasındaki ilişki, bağıl geçirgenliğin, μr sabit olmadığı ancak manyetik alan yoğunluğunun bir fonksiyonu olduğu ve böylece manyetik akı yoğunluğunun aşağıdaki gibi verildiği gerçeğiyle tanımlanabilir: B = μ H.

Daha sonra malzemedeki manyetik akı yoğunluğu, vakumdaki manyetik akı yoğunluğu, μoH ile karşılaştırıldığında malzeme için göreceli geçirgenliğinin bir sonucu olarak daha büyük bir faktör tarafından artırılacaktır ve hava çekirdekli bir bobin için bu ilişki şu şekilde verilir:

Manyetik Histerezis

Dolayısıyla ferromanyetik malzemeler için akı yoğunluğunun alan kuvvetine oranı ( B/H ) sabit değildir ancak akı yoğunluğu ile değişir. Bununla birlikte, hava çekirdekli bobinler veya ahşap veya plastik gibi herhangi bir manyetik olmayan ortam çekirdeği için, bu oran bir sabit olarak kabul edilebilir ve bu sabit, μo, boş alanın geçirgenliği olarak bilinir, ( μo = 4.π.10- 7 H/m).

Akı yoğunluğunun (B) değerlerini alan kuvvetine (H) karşı çizerek, aşağıda gösterildiği gibi kullanılan her bir çekirdek malzeme türü için Mıknatıslanma Eğrileri, Manyetik Histerezis Eğrileri veya daha yaygın olarak B-H Eğrileri adı verilen bir dizi eğri üretebiliriz.

Manyetizasyon veya B-H Eğrisi

Manyetik Histerezis
Manyetizasyon veya B-H Eğrisi

Yukarıdaki M manyetizasyon eğrileri seti, yumuşak demir ve çelik çekirdekler için B ve H arasındaki ilişkinin bir örneğini temsil eder. Ancak her tür çekirdek malzemesinin kendi manyetik histerezis eğrileri olacaktır. Akı yoğunluğunun, belirli bir değere ulaşana kadar alan kuvvetiyle orantılı olarak arttığını fark edebilirsiniz. Alan kuvveti artmaya devam ettikçe daha fazla artamaz ve neredeyse aynı seviyeye gelir.

Bunun nedeni demirdeki tüm alanlar mükemmel bir şekilde hizalandığından, çekirdek tarafından üretilebilecek akı yoğunluğu miktarının bir sınırı olmasıdır. Daha fazla artışın M değeri üzerinde hiçbir etkisi olmayacaktır ve grafikte akı yoğunluğunun sınırına ulaştığı nokta Manyetik Doygunluk olarak da bilinir. Çekirdeğin Doygunluğu olarak da bilinir ve basit örneğimizde çelik eğrinin doyma noktasının üzerindedir. metre başına yaklaşık 3000 amper dönüşte başlar.

Doygunluk oluşur çünkü Weber’in teorisini içeren önceki Manyetizma eğitimimizden hatırladığımız gibi çekirdek malzeme içindeki molekül yapısının rastgele gelişigüzel düzenlenmesi, malzeme içindeki küçük moleküler mıknatıslar “sıralanır” hale geldikçe değişir.

Manyetik alan kuvveti ( H ) arttıkça, bu moleküler mıknatıslar, maksimum akı yoğunluğunu üreterek mükemmel hizalamaya ulaşana kadar gittikçe daha fazla hizalanırlar ve bobinden akan elektrik akımındaki bir artıştan dolayı manyetik alan kuvvetindeki herhangi bir artışın çok az etkisi olacaktır. veya etkisi yoktur.

Kalıcılık
İçinden geçen akım nedeniyle yüksek alan gücüne sahip bir elektromanyetik bobinimiz olduğunu ve ferromanyetik çekirdek malzemesinin doyma noktasına, maksimum akı yoğunluğuna ulaştığını varsayalım. Şimdi bir anahtarı açar ve bobinden akan mıknatıslama akımını kaldırırsak, manyetik akı sıfıra düştüğünde bobin etrafındaki manyetik alanın kaybolmasını bekleriz.

Bununla birlikte elektromanyetik çekirdek malzemesi, akım bobinde akmayı bıraktığında bile manyetizmasının bir kısmını koruduğu için manyetik akı tamamen kaybolmaz. Bir bobinin manyetizmanın bir kısmını manyetizasyon işlemi durduktan sonra çekirdek içinde tutma yeteneğine Kalıcılık veya kalıntı denirken, çekirdekte hala kalan akı yoğunluğu miktarına kalıntı Manyetizma (Residual Magnetism), BR denir.

Bunun nedeni bazı küçük moleküler mıknatısların tamamen rastgele bir modele dönmemeleri ve yine de orijinal mıknatıslama alanının yönünü göstermeleri ve onlara bir tür “hafıza” vermesidir. Bazı ferromanyetik malzemeler yüksek kalıcılığa (manyetik olarak sert) sahiptir. Bu da onları kalıcı mıknatıslar üretmek için mükemmeldir.

Diğer ferromanyetik malzemeler düşük kalıcılığa (manyetik olarak yumuşak) sahipken, elektromıknatıslarda, solenoidlerde veya rölelerde kullanım için idealdir. Bu artık akı yoğunluğunu sıfıra düşürmenin bir yolu, bobinden akan akımın yönünü tersine çevirerek, manyetik alan kuvveti olan H değerini negatif yapmaktır. Bu etkiye Zorlayıcı Kuvvet (Coercive Force), HC denir. Mıknatıslama akımını bir kez daha sıfıra indirgemek, benzer miktarda kalıntı manyetizma üretecektir, ancak ters yönde olacaktır.

Daha sonra, bir AC kaynağında olduğu gibi, bobinden geçen mıknatıslama akımının yönünü pozitif bir yönden negatif bir yöne sürekli değiştirerek, ferromanyetik çekirdeğin bir Manyetik Histerezis döngüsü üretilebilir.

Manyetik Histerezis

Manyetik Histerezis
Manyetik Histerezis Döngüsü

Yukarıdaki Manyetik Histerezis döngüsü, B ve H arasındaki ilişki doğrusal olmadığı için bir ferromanyetik çekirdeğin davranışını grafiksel olarak gösterir. Mıknatıslanmamış bir çekirdekle başlayarak, hem B hem de H, manyetizasyon eğrisinde sıfırda, 0 noktasında olacaktır.

Mıknatıslanma akımı pozitif yönde bir değere yükseltilirse, manyetik alan kuvveti H, i ile doğrusal olarak artar ve akı yoğunluğu B, doygunluğa doğru yönelirken 0 noktasından a noktasına eğri tarafından gösterildiği gibi artacaktır.

Şimdi bobindeki mıknatıslama akımı sıfıra düşürülürse, çekirdek etrafında dolaşan manyetik alan da sıfıra düşer. Bununla birlikte, bobinlerin manyetik akısı, çekirdek içinde mevcut olan artık manyetizma nedeniyle sıfıra ulaşmayacaktır ve bu, a noktasından b noktasına eğri üzerinde gösterilmektedir.

b noktasındaki akı yoğunluğunu sıfıra indirmek için bobinden geçen akımı tersine çevirmemiz gerekir. Artık akı yoğunluğunu sıfırlamak için uygulanması gereken mıknatıslama kuvvetine “Zorlayıcı Kuvvet” denir. Bu zorlayıcı kuvvet, manyetik alanı tersine çevirir ve moleküler mıknatısları, çekirdek c noktasında manyetize olmayan hale gelene kadar yeniden düzenler.

Bu ters akımdaki bir artış, çekirdeğin ters yönde manyetize olmasına neden olur ve bu manyetizasyon akımının daha da arttırılması çekirdeğin doyma noktasına ancak ters yönde, eğri üzerindeki d noktasına ulaşmasına neden olur. Bu nokta b noktasına simetriktir. Mıknatıslama akımı tekrar sıfıra düşürülürse, çekirdekte bulunan artık manyetizma önceki değere eşit olacak, ancak e noktasında tersi olacaktır.

Yine bobinden akan mıknatıslama akımının bu sefer pozitif bir yöne çevrilmesi, manyetik akının eğri üzerinde sıfıra, f noktasına ulaşmasına ve daha önce olduğu gibi manyetizasyon akımını pozitif yönde daha da artırmak, çekirdeğin noktasında doygunluğa ulaşmasına neden olacaktır.

Daha sonra B-H eğrisi, bobinden akan mıknatıslama akımı, bir AC voltajının döngüsü gibi pozitif ve negatif bir değer arasında değişerek a-b-c-d-e-f-a yolunu izler. Bu yola Manyetik Histerezis Döngüsü denir.

Manyetik histerezisin etkisi, bir ferromanyetik çekirdeğin manyetizasyon sürecinin ve dolayısıyla akı yoğunluğunun, ferromanyetik çekirdeğin eğrinin hangi kısmına manyetize edildiğine bağlı olduğunu gösterir, Çünkü bu çekirdeğe bir “bellek” biçimi veren geçmiş devrelere bağlıdır. Daha sonra ferromanyetik malzemeler, harici manyetik alan kaldırıldıktan sonra manyetize kaldıkları için hafızaya sahiptir.

Bununla birlikte, demir veya silikon çelik gibi yumuşak ferromanyetik malzemeler, çok küçük miktarlarda artık manyetizma ile sonuçlanan çok dar manyetik histerezis döngülerine sahiptir, bu da onları kolayca manyetize edilip manyetikliği giderilebildikleri için röleler, solenoidler ve transformatörlerde kullanım için idealdir.

Bu artık manyetizmanın üstesinden gelmek için bir zorlayıcı kuvvet uygulanması gerektiğinden, kullanılan enerji manyetik malzemede ısı olarak dağılırken histerezis döngüsünü kapatmak için çalışma yapılmalıdır. Bu ısı histerezis kaybı olarak bilinir, kayıp miktarı malzemenin zorlayıcı kuvvet değerine bağlıdır.

Demir metale silikon gibi katkı maddeleri ekleyerek, çok dar bir histerezis döngüsüne sahip çok küçük bir zorlayıcı kuvvete sahip malzemeler yapılabilir. Dar histerezis döngüleri olan malzemeler kolayca manyetize edilir ve demanyetize edilir ve yumuşak manyetik materyaller olarak bilinir.

Yumuşak ve Sert Malzemeler için Manyetik Histerezis Döngüleri

Manyetik Histerezis
Yumuşak ve Sert Malzemeler için Manyetik Histerezis Döngüleri

Manyetik Histerezis, boşa harcanan enerjinin, manyetik histerezis döngüsünün alanıyla orantılı olarak boşa harcanan enerji ile ısı şeklinde dağılmasına neden olur. Akımın sürekli yön değiştirdiği AC transformatörlerde histerezis kayıpları her zaman sorun olacaktır ve bu nedenle çekirdekteki manyetik kutuplar sürekli yön değiştirdikleri için kayıplara neden olacaktır.

DC makinelerdeki dönen bobinler, güney manyetik kutuplardan dönüşümlü olarak kuzeyden geçerken histerezis kayıplarına da neden olacaktır. Daha önce belirtildiği gibi, histerezis döngüsünün şekli, kullanılan demir veya çeliğin doğasına bağlıdır.

Elektromanyetizma hakkındaki bir sonraki eğitimde, Faraday’ın Elektromanyetik İndüksiyon Yasasına bakacağız ve bir tel iletkeni sabit bir manyetik alan içinde hareket ettirerek, basit bir jeneratör üreten iletkende bir elektrik akımı indüklemenin mümkün olduğunu göreceğiz.