Întârzierea unui material magnetic, cunoscută în mod obișnuit ca histerezis magnetic, se referă la proprietățile de magnetizare ale unui material prin care acesta devine mai întâi magnetizat și apoi demagnetizat.

Știm că fluxul magnetic generat de o bobină electromagnetică este cantitatea de câmp magnetic sau liniile de forță produse într-o arie dată și că este denumită mai des "densitatea fluxului", având simbolul B cu unitatea de densitate a fluxului Tesla, T.

Știm că intensitatea magnetică a unui electromagnet depinde de numărul de spire ale bobinei, de curentul care circulă prin bobină sau de tipul materialului de miez utilizat și dacă creștem fie curentul, fie numărul de spire putem crește intensitatea câmpului magnetic, simbol H.

Permeabilitatea relativă, simbol μr, a fost definită ca raportul dintre permeabilitate absolută μ și permeabilitatea spațiului liber μo (vid) și acest lucru a fost dat ca o constantă. Totuși, relația dintre densitatea fluxului B și intensitatea câmpului magnetic H poate fi definită de faptul că permeabilitatea relativă μr nu este o constantă, ci o funcție de intensitatea câmpului magnetic, dând astfel densitatea fluxului magnetic ca: B = μH.

Atunci, densitatea fluxului magnetic în material va fi mărită cu un factor mai mare, ca urmare a permeabilității sale relative la material, comparativ cu densitatea fluxului magnetic în vid μoH și pentru o bobină cu miez aer, această relație este dată de:

Astfel, pentru materialele feromagnetice, raportul dintre densitatea fluxului și intensitatea câmpului (B/H) nu este constant, dar variază cu densitatea fluxului. Totuși, pentru bobine cu miez aer sau orice miez nemagnetic, cum ar fi lemne sau materiale plastice, acest raport poate fi considerat ca o constantă și această constantă este cunoscută drept μo, permeabilitatea spațiului liber (μo = 4.π.10^-7 H/m).

Prin trasarea valorilor densității de flux (B) față de intensitatea câmpului (H), putem produce un set de curbe numite curbe de magnetizare, curbe de histerezis magnetic sau, mai frecvent, curbe B-H pentru fiecare tip de material de miez utilizat, în modul descris mai jos.

Curba de magnetizare sau curba B-H

Setul de curbe de magnetizare M, de mai sus, reprezintă un exemplu al relației dintre B și H pentru miezurile de fier moale și oțel, dar fiecare tip de material de miez va avea setul propriu de curbe de histerezis magnetic. Rețineți că densitatea fluxului crește proporțional cu intensitatea câmpului până când atinge o anumită valoare de unde nu poate crește mai mult, devenind aproape constantă pe măsură ce intensitatea câmpului continuă să crească.

Acest lucru se datorează faptului că există o limită a cantității de densitate de flux care poate fi generată de miez, deoarece toate domeniile din fier sunt perfect aliniate. Orice creștere suplimentară nu va avea nici un efect asupra valorii lui M, iar punctul din grafic în care densitatea fluxului atinge limita sa se numește saturație magnetică cunoscută și sub denumirea de saturație a miezului și, în exemplul nostru simplu de mai sus, punctul de saturație al curbei de oțel începe la aproximativ 3000 amperi-spire pe metru.

Saturația apare deoarece aranjamentul întâmplător aleator al structurii moleculare din materialul miezului se schimbă, pe măsură ce magneții minusculi moleculari din material devin "aliniați".

Pe măsură ce intensitatea câmpului magnetic (H) crește, acești magneți moleculari devin din ce în ce mai aliniați până când ajung la o aliniere perfectă, producând o densitate maximă a fluxului și orice creștere a intensității câmpului magnetic datorată unei creșteri a curentului electric care curge prin bobină va avea puțin sau deloc efect.

Remanența

Presupunem că avem o bobină electromagnetică cu o intensitate crescută a câmpului datorită curentului care trece prin ea și că materialul miezului feromagnetic a atins punctul său de saturație, densitatea maximă a fluxului. Dacă deschidem acum un întrerupător și scoatem curentul de magnetizare care curge prin bobină, ne-am aștepta ca câmpul magnetic din jurul bobinei să dispară deoarece fluxul magnetic a fost redus la zero.

Cu toate acestea, fluxul magnetic nu dispare complet, deoarece materialul miezului electromagnetic își păstrează încă o parte din magnetism chiar și atunci când curentul a încetat să curgă în bobină. Aceasta abilitate a unei bobine de a reține o parte din magnetism în miez după ce procesul de magnetizare a fost oprit este numit remanență sau Retentivity (en.), în timp ce cantitatea densității de flux încă rămasă în miez este numită magnetism rezidual BR.

Motivul pentru care unii dintre magneții moleculari minusculi nu revin la un model complet aleator și încă se mai îndreaptă în direcția câmpului original de magnetizare, este oferirea unui fel de "memorie". Unele materiale feromagnetice au o remanență ridicată (duritate magnetică), făcându-le excelente pentru a produce magneți permanenți.

În timp ce alte materiale feromagnetice au remanență scăzută (magnetice moale), făcându-le ideale pentru utilizarea în electromagneți, solenoizi sau relee. O modalitate de a reduce această densitate de flux rezidual la zero este inversarea direcției curentului care curge prin bobină, făcând astfel valoarea lui H, intensitatea câmpului magnetic, negativă. Acest efect se numește forța coercitivă HC.

Dacă acest curent invers crește, densitatea fluxului va crește în direcția inversă până când miezul feromagnetic ajunge din nou la saturație, dar în direcția inversă față de înainte. Reducerea curentului de magnetizare i încă o dată la zero va produce o cantitate similară de magnetism rezidual, dar în sens invers.

Atunci, prin schimbarea constantă a direcției curentului de magnetizare prin bobină dintr-o direcție pozitivă într-o direcție negativă, cum ar fi cazul unei surse AC, poate fi produsă o buclă de histerezis magnetic a miezului ferromagnetic.

Buclă de histerezis magnetic

Bucla de histerezis magnetic, de mai sus, arată grafic comportamentul unui miez feromagnetic, deoarece relația dintre B și H este neliniară. Începând cu un miez nemagnetizat, ambele B și H vor fi la zero, punctul 0 pe curba de magnetizare.

Dacă curentul de magnetizare este mărit într-o direcție pozitivă la o anumită valoare, intensitatea câmpului magnetic H crește liniar cu i, iar densitatea fluxului B va crește, așa cum arată curba, de la punctul 0 la punctul a, deoarece se îndreaptă spre saturație.

Acum, dacă curentul de magnetizare din bobină este redus la zero, câmpul magnetic care circulă în jurul miezului, de asemenea, se reduce la zero. Totuși, fluxul magnetic al bobinelor nu va ajunge la zero datorită magnetismului rezidual prezent în miez și aceasta este prezentată pe curbă de la punctul a la punctul b.

Pentru a reduce densitatea fluxului de la punctul b la zero, trebuie să inversăm curentul care trece prin bobină. Forța de magnetizare care trebuie aplicată pentru anularea densității de flux rezidual este numită "forță coercitivă". Această forță coercitivă inversează câmpul magnetic rearanjând magneții moleculari până când miezul devine nemagnetizat la punctul c.

O creștere a acestui curent invers determină ca miezul să fie magnetizat în direcția opusă și creșterea acestui curent de magnetizare va determina miezul să atingă punctul de saturație, dar în direcția opusă, punctul d pe curbă.

Acest punct este simetric cu punctul b. Dacă curentul de magnetizare este redus din nou la zero, magnetismul rezidual prezent în miez va fi egal cu valoarea precedentă, dar în sens invers la punctul e.

Din nou, inversarea curentului de magnetizare care curge prin bobină de această dată într-o direcție pozitivă va determina fluxul magnetic să ajungă la zero, punctul f pe curbă, și creșterea curentului de magnetizare în direcția pozitivă va determina ca miezul să atingă saturația la punctul a.

Atunci, curba B-H urmărește calea a-b-c-d-e-f-a, deoarece curentul de magnetizare care curge prin bobină alternează între o valoare pozitivă și negativă, cum ar fi ciclul unei tensiuni AC. Această cale se numește o buclă de histerezis magnetic.

Efectul de histerezis magnetic arată că procesul de magnetizare al unui miez feromagnetic și, deci, densitatea fluxului depinde de ce parte a curbei este magnetizat miezul feromagnetic, deoarece depinde de istoria circuitelor dând miezului o formă de "memorie". Atunci, materialele feromagnetice au memorie deoarece rămân magnetizate după ce a fost îndepărtat câmpul magnetic extern.

Dar, materialele feromagnetice moi, cum ar fi fierul sau oțelul cu siliciu, au bucle de histerezis magnetic foarte înguste, rezultând cantități foarte mici de magnetism rezidual, făcându-le ideale pentru utilizarea în relee, solenoizi și transformatoare, deoarece ele pot fi ușor magnetizate și demagnetizate.

Deoarece trebuie aplicată o forță coercitivă pentru depășirea acestui magnetism rezidual, trebuie să se lucreze la închiderea buclei de histerezis, energia utilizată fiind disipată sub formă de căldură în materialul magnetic. Această căldură este cunoscută ca pierdere prin histerezis, cantitatea de pierdere depinde de valoarea forței coercitive a materialului.

Prin adăugarea de aditivi la metalul de fier, cum ar fi siliciul, se pot realiza materiale cu o forță coercitivă foarte mică, care au o buclă de histerezis foarte îngustă. Materialele cu bucle de histerezis înguste sunt ușor magnetizate și demagnetizate și cunoscute ca materiale magnetice moi.

Bucle de histerezis magnetic pentru materiale moi și dure

Histerezisul magnetic are ca rezultat disiparea energiei risipite sub formă de căldură cu energia risipită fiind proporțională cu aria buclei de histerezis magnetic. Pierderile prin histerezis vor fi întotdeauna o problemă în transformatoarele AC în care curentul schimbă în mod constant direcția și astfel polii magnetici din miez vor cauza pierderi pentru că ei se inversează constant în direcție.

Bobinele rotative în mașinile DC vor suferi, de asemenea, pierderi prin histerezis, deoarece există trecere alternativă a polilor magnetici nord și sud. Așa cum s-a menționat anterior, forma buclei de histerezis depinde de natura fierului sau a oțelului utilizat și în cazul fierului care este supus unor inversări masive de magnetism, de exemplu miezurile transformatoarelor, este important ca bucla de histerezis B-H să fie cât de mică posibil.

În următorul tutorial despre electromagnetism vom examina Legea de Inducție Electromagnetică a lui Faraday și vom vedea că prin deplasarea unui conductor de sârmă într-un câmp magnetic staționar este posibil să se inducă un curent electric în conductor care produce un generator simplu.