Permeabilitatea si saturatia

Permeabilitatea si saturatia

Graficul variatiei B-H

Non-liniaritatea permeabilitatii materialelor (vezi si unitati de masura ale campului magnetic) poate fi trasata pe un grafic pentru o mai buna intelegere a ei. Plasam intensitatea campului (H), egala cu raportul dintre tensiunea magnetomotoare (tmm) si lungimea materialului, pe axa orizontala. Pe axa verticala, plasam densitatea fluxului (B) egala cu raportul dintre fluxul total si aria sectiunii materialului. Folosim aceste marimi (H si B) in loc de tensiunea magnetomotoare (tmm) si fluxul total (Φ), pentru ca alura graficului sa ramana independenta de dimensiunile fizice ale materialului supus masuratorii.

Curbe normale de magnetizare; saturatia

Aceste curbe poarta denumirea de curbe normale de magnetizare sau curbe B-H, indiferent de material. Putem observa de pe grafic ca densitatea fluxului (B) pentru oricare din cele trei materiale are o crestere neliniara (puternica la inceput, apoi din ce in ce mai scazuta) odata cu cresterea valorii intensitatii campului (H). Acest efect este cunoscut sub numele de saturatie. Cand aplicam o forta magnetica mica (H mic), doar cativa atomi sunt aliniati dupa liniile campului, restul fiind usor de aliniat daca aplicam o forta aditionala. Totusi, pe masura cresterii fluxului magnetic prin aceeasi sectiune a materialului feromagnetic, tot mai putini atomi sunt disponibil pentru alinierea in lungul liniilor de camp pe masura ce forta aplicata creste. De aceea, este nevoie de o forta (H) din ce in ce mai mare pentru cresterea densitati fluxului (B) cu pasi din ce in ce mai mici.

Saturatia este un fenomen intalnit doar in cazul electromagnetilor cu miez de fier. Electromagnetii cu miez de aer nu se satureaza, dar, pe de alta parte, nici nu produc valori asa de mari ale fluxului magnetic pentru acelasi numar de spire (bucle) si aceeasi valoare a curentului.

Histerezisul

Un alt fenomen al analizei curbelor de magnetizare este cel de histerezis. Ca si termen general, histerezisul inseamna ca iesirea sistemului nu reflecta instant valorile de intrare; pe scurt, putem spune ca sistemul in cauza poseda memorie. Intr-un sistem magnetic, acesta se caracterizeaza prin faptul ca materialul feromagnetic tinde sa ramana magnetizat dupa ce forta magnetica aplicata este indepartata (remanenta magnetica), daca polaritatea fortei este inversata.

Construirea pas cu pas a unei curbe de histerezis

1. Aplicarea unui curent prin spirele electromagnetului

Sa folosim acelasi grafic, dar sa extindem axele pentru a indica atat valori pozitive cat si negative. Aplicam intai o forta magnetica (curent prin spirele electromagnetului) crescatoare. Observam cresterea densitatii fluxului dupa curba normala de magnetizare.

2. Intreruperea curentului prin spire

Apoi, oprim curentul prin infasurarea electromagnetului si observam ce se intampla cu fluxul, lasand prima curba pe grafic. Datorita remanentei materialului, vom avea un flux magnetic chiar si fara existenta fortei aplicate mai inainte (nu exista curent prin infasurare). Electromagnetul se comporta in acest moment precum un magnet permanent.

3. Aplicarea unui curent de sens contrar prin spirele electromagnetului

Urmatorul pas este aplicarea unui camp magnetic cu aceeasi forta dar in directia opusa. Densitatea fluxului magnetic a atins acum un punct echivalent celui in care se afla in cazul aplicarii unei intensitati magnetice (H) pozitive, doar ca se afla in directia opusa, negativa.

4. Intreruperea curentului prin infasurare

Sa observam comportamentul electromagnetului daca intrerupem din nou curentul prin infasurare. Din nou, datorita remanentei naturale a materialului, acesta va retine un flux magnetic fara existenta unui curent prin infasurare, doar ca de data aceasta se afla in directie opusa fata de ultima intrerupere a curentului.

5. Inchiderea curbei de histerezis

Daca reintroducem curentul prin electromagnet, vom vedea ca densitatea fluxului magnetic atinge din nou punctul maxim initial (dreapta sus pe grafic).

Pierderile prin histerezis

Aceasta curba in forma de "S" se numeste curba de histerezis a materialului feromagnetic pentru o anumita valoare a intensitatii campului magnetic maxim, respectiv minim (+H si -H). Existenta acestui histerezis este de nedorit in cazul proiectarii sistemelor ce ar trebui sa produca o cantitate fixa de flux in functie de valoarea curentului, deoarece valoarea densitati fluxului va depinde de curent si de starea de magnetizatie de dinainte. De asemenea, datorita nevoii de invingere a magnetizatiei remanente din electromagnet, se va produce o risipa de energie atunci cand se foloseste curentul alternativ. Putem aproxima cantiatea de energie pierduta in functie de aria curbei de histerezis.

Aplicatii practice ale histerezisului

In alte cazuri, precum stocarea informatiilor cu ajutorul materialelor magnetice (hard-disk-uri, sau benzi audio si video) curba de histerezis este un lucru de dorit. In aceste cazuri, este de dorit ca magnetizarea unui material magnetic (ferita) sa fie de durata (remanenta mare) pentru a-si putea "aminti" ultima stare de magnetizare.

O alta aplicatie practica consta in filtrarea "zgomotului" electromagnetic de frecventa inalta (supratensiuni de valori mari si durate de timp scurte). Energia consumata pentru intampinarea histerezisului feritei atenueaza forta semnalului de zgomot. Curba de histerezis pentru ferita este destul de extrema: