Magneettisessa materiaalissa esiintyvää ilmiötä, jossa vuon tiheys B jää jälkeen magnetointivoimasta H, kutsutaan magneettiseksi hystereesiksi. Sana hystereesi on johdettu kreikan kielen sanasta Hysterein, joka tarkoittaa jälkeen jäämistä.
Muilla sanoilla, kun magneettista materiaalia magnetoidaan ensin yhteen suuntaan ja sitten toiseen suuntaan, jolloin yksi magnetointikierros on suoritettu, havaitaan, että vuontiheys B jää jälkeen käytetystä magnetointivoimasta H.
Magneettisia materiaaleja on erityyppisiä, kuten paramagneettisia, diamagneettisia, ferro-, ferro-, ferro- ja antiferro-. Ferromagneettiset materiaalit ovat pääasiassa vastuussa hystereesisilmukan synnystä.
Kun magneettikenttää ei käytetä, ferromagneettinen materiaali käyttäytyy paramagneettisen materiaalin tavoin. Tämä tarkoittaa sitä, että alkuvaiheessa ferromagneettisen materiaalin dipolimomentit eivät ole suuntautuneet, vaan ne ovat satunnaisesti sijoittuneet.
Heti kun ferromagneettiseen materiaaliin kohdistetaan magneettikenttä, sen dipolimomentit suuntautuvat yhteen tiettyyn suuntaan, kuten yllä olevassa kuvassa on esitetty, jolloin magneettikenttä on paljon voimakkaampi.
Sisältö:
- Jäännösmagnetismi
- Pakkovoima
- Pehmeä magneettimateriaali
- Kova magneettimateriaali
- Magneettisen hystereesin sovelluksia
Magneettisen hystereesin ilmiön ymmärtämiseksi tarkastellaan magneettimateriaalin rengasta, joka on käämitetty yhdenmukaisesti solenoidilla. Solenoidi on kytketty tasavirtalähteeseen kaksinapaisen kaksoiskytkimen (Double pole double throw, D.P.D.T) kautta, kuten alla olevassa kuvassa on esitetty:
Aluksi kytkin on asennossa 1. Pienentämällä R:n arvoa solenoidissa kulkevan virran arvo kasvaa vähitellen, mikä johtaa kentän voimakkuuden H asteittaiseen kasvuun, myös vuontiheys kasvaa, kunnes se saavuttaa kyllästymispisteen a ja saatu käyrä on ”oa”. Saturaatio tapahtuu, kun virran kasvaessa dipolimomentti tai magneettimateriaalin molekyylit suuntautuvat yhteen suuntaan.
Nyt pienentämällä solenoidissa olevaa virtaa nollaan magnetointivoima vähenee vähitellen nollaan. Vuontiheyden arvo ei kuitenkaan ole nolla, koska sillä on edelleen arvo ’ob’, kun H=0, joten saatu käyrä on ’ab’, kuten alla olevassa kuvassa on esitetty. Tämä vuontiheyden arvo ’ob’ johtuu jäännösmagnetismista.
Jäännösmagnetismi
Magneettisen materiaalin pidättämän vuontiheyden ob arvoa kutsutaan jäännösmagnetismiksi, ja sen pidättämisvoimaa kutsutaan materiaalin retentioksi.
Nyt magneettirenkaan demagnetoimiseksi D.P.D.T.-käännettävän kytkimen asento muutetaan asentoon 2, jolloin magneettirenkaassa kulkevan virran kulkusuunta muuttuu päinvastaiseksi, jolloin syntyy käänteinen magnetointivoima H.
Kun H:ta kasvatetaan käänteiseen suuntaan, vuontiheys alkaa pienentyä ja muuttuu nollaksi (B=0), ja yllä oleva käyrä noudattaa polkua bc. Materiaalin jäännösmagnetismi poistetaan soveltamalla vastakkaiseen suuntaan magnetointivoimaa, jota kutsutaan pakkovoimaksi.
Pakkovoima
Pakkovoima
Magnetointivoiman oc arvoa, joka tarvitaan jäännösmagnetismin ob pyyhkimiseen, kutsutaan pakkovoimaksi, joka näkyy vaaleanpunaisella värillä yllä esitetyssä hystereesikäyrässä.
Nyt hystereesisilmukan loppuunsaattamiseksi magnetointivoimaa H kasvatetaan edelleen vastakkaiseen suuntaan, kunnes se saavuttaa kyllästymispisteen d, mutta negatiiviseen suuntaan, käyrä kulkee polkua cd. H:n arvo pienennetään nollaan H=0 ja käyrä saa polun de, jossa oe on jäännösmagnetismi, kun käyrä on negatiivisessa suunnassa.
Kytkimen asentoa muutetaan jälleen asentoon 1 asennosta 2 ja solenoidin virtaa kasvatetaan jälleen, kuten magnetointiprosessissa tehtiin, ja tästä johtuen H kasvaa positiiviseen suuntaan ja kulkee polkua ’efa’, ja lopulta hystereesisilmukka on valmis. Käyrässä taas ’of’ on magnetointivoima, joka tunnetaan myös jäännösmagnetismin poistamiseen vaadittavana pakkovoimana ’oe’.
Tässä kokonaispakkovoimaa, joka tarvitaan jäännösmagnetismin pyyhkimiseen pois yhdessä täydellisessä syklissä, merkitään merkinnällä ’cf’. Edellä esitetystä keskustelusta käy selväksi, että vuontiheys B jää aina jälkeen magnetointivoimasta H. Siksi silmukkaa ’abcdefa’ kutsutaan magneettiseksi hystereesisilmukaksi tai hystereesikäyräksi.
Magneettinen hystereesi johtaa hukkaan menevän energian haihtumiseen lämmön muodossa. Hukkaenergia on verrannollinen magneettisen hystereesisilmukan pinta-alaan. Magneettisia materiaaleja on pääasiassa kahta tyyppiä, pehmeää magneettista materiaalia ja kovaa magneettista materiaalia.
Pehmeä magneettinen materiaali
Pehmeällä magneettisella materiaalilla on kapea magneettinen hystereesisilmukka, kuten alla olevassa kuvassa on esitetty, jossa haihtuvan energian määrä on pieni. Ne koostuvat materiaalista, kuten raudasta, piiteräksestä jne.
- Sitä käytetään laitteissa, jotka vaativat vaihtuvia magneettikenttiä.
- Sen koersiivisuus on alhainen.
- Matalaa magnetoitumista
- Matalaa retentiivisyyttä
Kova magneettimateriaali
Kova magneettimateriaali
Kovalla magneettimateriaalilla on leveämpi hystereesisilmukka, kuten alla olevassa kuvassa on esitetty, ja se johtaa suureen energiahäviöön, ja sen avulla on hankalampi saada aikaan demagnetoitumisprosessi.
- Se on korkea retentiivisyys
- korkea koerktiivisuus
- korkea saturaatio
Magneettisen hystereesin sovellukset
- Magneettista materiaalia, jolla on leveämpi hystereesisilmukka, käytetään laitteissa kuten magneettinauhassa, kiintolevyt, luottokortit, äänitallenteet, koska sen muisti ei pyyhkiydy helposti.
- Magneettisia materiaaleja, joilla on kapea hystereesisilmukka, käytetään sähkömagneeteissa, solenoideissa, muuntajissa ja releissä, jotka vaativat minimaalisen energiahäviön.