- Permeabilitatea unui material depinde de valoarea forţei fluxului magnetic prin acesta
- Relaţia specifică dintre forţă şi flux (intensitatea câmpului H, şi densitatea fluxului B) este trasată pe un grafic denumit curba normală de magnetizare
- Este posibilă aplicarea asupra unui material feromagnetic a unui câmp magnetic atât de intens încât acesta atinge valoarea sa maximă a fluxului. Această condiţie este cunoscută sub numele de saturaţie magnetică
- Când remanenţa unui material feromagnetic interferă cu remagnetizarea sa în direcţia opusă, condiţia este cunoscută sub numele de histerezis
Graficul variaţiei B-H
Non-liniaritatea permeabilităţii materialelor (vezi şi unităţi de măsură ale câmpului magnetic) poate fi trasată pe un grafic pentru o mai bună înţelegere a ei. Plasăm intensitatea câmpului (H), egală cu raportul dintre tensiunea magnetomotoare (tmm) şi lungimea materialului, pe axa orizontală. Pe axa verticală, plasăm densitatea fluxului (B) egală cu raportul dintre fluxul total şi aria secţiunii materialului. Folosim aceste mărimi (H şi B) în loc de tensiunea magnetomotoare (tmm) şi fluxul total (Φ), pentru ca alura graficului să rămână independentă de dimensiunile fizice ale materialului supus măsurătorii.
Curbe normale de magnetizare; saturaţia
Aceste curbe poartă denumirea de curbe normale de magnetizare sau curbe B-H, indiferent de material. Putem observa de pe grafic că densitatea fluxului (B) pentru oricare din cele trei materiale are o creştere neliniară (puternică la început, apoi din ce în ce mai scăzută) odată cu creşterea valorii intensităţii câmpului (H). Acest efect este cunoscut sub numele de saturaţie. Când aplicăm o forţă magnetică mică (H mic), doar câţiva atomi sunt aliniaţi după liniile câmpului, restul fiind uşor de aliniat dacă aplicăm o forţă adiţională. Totuşi, pe măsura creşterii fluxului magnetic prin aceeaşi secţiune a materialului feromagnetic, tot mai puţini atomi sunt disponibil pentru alinierea în lungul liniilor de câmp pe măsură ce forţa aplicată creşte. De aceea, este nevoie de o forţă (H) din ce în ce mai mare pentru creşterea densităţi fluxului (B) cu paşi din ce în ce mai mici. Saturaţia este un fenomen întâlnit doar în cazul electromagneţilor cu miez de fier. Electromagneţii cu miez de aer nu se saturează, dar, pe de altă parte, nici nu produc valori aşa de mari ale fluxului magnetic pentru acelaşi număr de spire (bucle) şi aceeaşi valoare a curentului.
Histerezisul
Un alt fenomen al analizei curbelor de magnetizare este cel de histerezis. Ca şi termen general, histerezisul înseamnă că ieşirea sistemului nu reflectă instant valorile de intrare; pe scurt, putem spune ca sistemul în cauză posedă memorie. Într-un sistem magnetic, acesta se caracterizează prin faptul că materialul feromagnetic tinde să rămână magnetizat după ce forţa magnetică aplicată este îndepărtată (remanenţă magnetică), dacă polaritatea forţei este inversată.
Construirea pas cu pas a unei curbe de histerezis
1. Aplicarea unui curent prin spirele electromagnetului
Să folosim acelaşi grafic, dar să extindem axele pentru a indica atât valori pozitive cât şi negative. Aplicăm întâi o forţă magnetică (curent prin spirele electromagnetului) crescătoare. Observăm creşterea densităţii fluxului după curba normală de magnetizare.
2. Întreruperea curentului prin spire
Apoi, oprim curentul prin înfăşurarea electromagnetului şi observăm ce se întâmplă cu fluxul, lăsând prima curbă pe grafic. Datorită remanenţei materialului, vom avea un flux magnetic chiar şi fără existenţa forţei aplicate mai înainte (nu există curent prin înfăşurare). Electromagnetul se comportă în acest moment precum un magnet permanent.
3. Aplicarea unui curent de sens contrar prin spirele electromagnetului
Următorul pas este aplicarea unui câmp magnetic cu aceeaşi forţă dar în direcţia opusă. Densitatea fluxului magnetic a atins acum un punct echivalent celui în care se afla în cazul aplicării unei intensităţi magnetice (H) pozitive, doar că se află în direcţia opusă, negativă.
4. Întreruperea curentului prin înfăşurare
Să observăm comportamentul electromagnetului dacă întrerupem din nou curentul prin înfăşurare. Din nou, datorită remanenţei naturale a materialului, acesta va reţine un flux magnetic fără existenţa unui curent prin înfăşurare, doar că de data aceasta se află în direcţie opusă faţa de ultima întrerupere a curentului.
5. Închiderea curbei de histerezis
Dacă reintroducem curentul prin electromagnet, vom vedea că densitatea fluxului magnetic atinge din nou punctul maxim iniţial (dreapta sus pe grafic).
Pierderile prin histerezis
Această curbă în formă de „S” se numeşte curba de histerezis a materialului feromagnetic pentru o anumită valoare a intensităţii câmpului magnetic maxim, respectiv minim (+H şi -H). Existenţa acestui histerezis este de nedorit în cazul proiectării sistemelor ce ar trebui să producă o cantitate fixă de flux în funcţie de valoarea curentului, deoarece valoarea densităţi fluxului va depinde de curent şi de starea de magnetizaţie de dinainte. De asemenea, datorită nevoii de învingere a magnetizaţiei remanente din electromagnet, se va produce o risipă de energie atunci când se foloseşte curentul alternativ. Putem aproxima cantiatea de energie pierdută în funcţie de aria curbei de histerezis.
Aplicaţii practice ale histerezisului
În alte cazuri, precum stocarea informaţiilor cu ajutorul materialelor magnetice (hard-disk-uri, sau benzi audio şi video) curba de histerezis este un lucru de dorit. În aceste cazuri, este de dorit ca magnetizarea unui material magnetic (ferită) să fie de durată (remanenţă mare) pentru a-şi putea „aminti” ultima stare de magnetizare.
O altă aplicaţie practică este filtrarea „zgomotului” electromagnetic de frecvenţă înaltă (supratensiuni de valori mari şi durate de timp scurte). Energia consumată pentru întâmpinarea histerezisului feritei atenuează forţă semnalului de zgomot. Curba de histerezis pentru ferită este destul de extremă:
