자기 히스테리시스
일반적으로 자기 히스테리시스(Magnetic Hysteresis)로 알려진 자성 재료의 지연 또는 지연은 먼저 자화되고 그 다음에는 자기화되지 않는 재료의 자화 특성과 관련이 있습니다.
강자성 물질은 임시 자기장에 노출될 때 해당 물질을 구성하는 물질로 인해 감자 과정에서 지연 또는 지연을 나타낼 수 있습니다. 자성 재료의 이러한 지연 또는 지연은 일반적으로 자기 히스테리시스로 알려져 있습니다.
우리는 전자기 코일에 의해 생성된 자속이 주어진 영역 내에서 생성된 자기장 또는 힘선의 양이며 더 일반적으로 "자속 밀도"라고 한다는 것을 알고 있습니다. 자속 밀도의 단위가 Tesla인 기호 B가 주어지면 T.
우리는 또한 이전 튜토리얼을 통해 전자석의 자기 강도가 코일의 감은 수, 코일을 통해 흐르는 전류 또는 사용되는 코어 재료의 유형에 따라 달라진다는 것을 알고 있으며, 전류나 코일 수를 늘리면 회전하면 자기장 강도(기호 H) 를 증가시킬 수 있습니다 .
이전에는 상대 투자율(기호 μr ) 을 절대 투자율 μ 와 자유 공간 투자율 μo (진공) 의 비율로 정의 하고 이를 상수로 지정했습니다. 그러나 자속 밀도 B 와 자기장 강도 H 사이의 관계는 상대 투자율 μr 이 상수가 아니라 자기장 강도의 함수이므로 자속 밀도를 다음과 같이 제공한다는 사실로 정의할 수 있습니다 . B = μH .
그러면 재료의 자속 밀도는 진공에서의 자속 밀도 μ o H 와 비교하여 재료에 대한 상대 투자율의 결과로 더 큰 요소로 증가하며 공심 코일의 경우 이 관계는 다음과 같이 제공됩니다.
따라서 강자성 물질의 경우 자기장 강도에 대한 자속 밀도의 비율( B/H )은 일정하지 않고 자속 밀도에 따라 달라집니다. 그러나 공기 코어 코일이나 목재나 플라스틱과 같은 비자성 매체 코어의 경우 이 비율은 상수로 간주될 수 있으며 이 상수는 자유 공간 의 투자율인 μo( μo = 4.π ) 로 알려져 있습니다. 10-7H /m ) .
자기장 강도( H )에 대한 자속 밀도( B ) 값을 플롯함으로써 우리는 아래와 같이 사용되는 각 유형의 코어 재료에 대해 자화 곡선 , 자기 히스테리시스 곡선 또는 보다 일반적으로 BH 곡선 이라는 일련의 곡선을 생성할 수 있습니다.
자화 또는 BH 곡선
위 의 자화 곡선 세트 M 은 연철 및 강철 코어에 대한 B 와 H 사이의 관계에 대한 예를 나타내지 만 모든 유형의 코어 재료에는 자체 자기 이력 곡선 세트가 있습니다. 자속 밀도는 자속 밀도가 계속 증가하더라도 더 이상 증가할 수 없는 특정 값에 도달할 때까지 자속 밀도에 비례하여 증가하여 거의 균일하고 일정해집니다.
철의 모든 자구가 완벽하게 정렬되면서 코어가 생성할 수 있는 자속 밀도의 양에 한계가 있기 때문입니다. 따라서 추가 증가는 M 값에 영향을 미치지 않습니다 . 그래프에서 자속 밀도가 한계에 도달하는 지점을 자기 포화 라고 하며 코어 포화 라고도 합니다 . 위의 간단한 예에서 강철 곡선의 포화점은 미터당 약 3000암페어 회전에서 시작됩니다.
포화는 Weber의 이론이 포함된 이전 자기 튜토리얼에서 기억한 것처럼 재료 내의 작은 분자 자석이 "일렬로 정렬"됨에 따라 코어 재료 내의 분자 구조의 무작위 무작위 배열이 변경되기 때문에 발생합니다.
자기장 강도( H )가 증가함에 따라 이러한 분자 자석은 최대 자속 밀도를 생성하는 완벽한 정렬에 도달할 때까지 점점 더 정렬되고 코일을 통해 흐르는 전류의 증가로 인한 자기장 강도의 증가는 거의 발생하지 않습니다. 아니면 효과가 없습니다.
유지력
흐르는 전류로 인해 높은 전계 강도를 갖는 전자기 코일이 있고 강자성 코어 재료가 포화점, 즉 최대 자속 밀도에 도달했다고 가정해 보겠습니다. 이제 스위치를 열고 코일을 통해 흐르는 자화 전류를 제거하면 자속이 0으로 감소함에 따라 코일 주변의 자기장이 사라질 것으로 예상할 수 있습니다.
그러나 코일에 전류 흐름이 중단된 경우에도 전자기 코어 재료는 여전히 일부 자성을 유지하므로 자속이 완전히 사라지지는 않습니다. 자화 과정이 멈춘 후 코어 내에서 자성의 일부를 유지하는 코일의 능력을 보유성 또는 잔류성이라고 하며, 코어에 여전히 남아 있는 자속 밀도의 양을 잔류 자성 ( BR ) 이라고 합니다 .
그 이유는 일부 작은 분자 자석이 완전히 무작위 패턴으로 돌아가지 않고 여전히 원래 자기장의 방향을 가리키며 일종의 "기억"을 제공하기 때문입니다. 일부 강자성 재료는 보유력(자기적으로 단단함)이 높아 영구 자석 생산에 탁월합니다.
다른 강자성 재료는 보유력이 낮기 때문에(자기적으로 부드럽기 때문에) 전자석, 솔레노이드 또는 계전기에 사용하기에 이상적입니다. 이 잔류 자속 밀도를 0으로 줄이는 한 가지 방법은 코일을 통해 흐르는 전류의 방향을 바꾸어 자기장 강도인 H 값을 음수로 만드는 것입니다. 이 효과를 보자력(Coercive Force) , H C 라고 합니다 .
이 역전류가 더 증가하면 강자성 코어가 다시 포화 상태에 도달할 때까지 자속 밀도도 역방향으로 증가하지만 이전과는 역방향으로 증가합니다. 자화 전류를 다시 0으로 줄이면 비슷한 양의 잔류 자성이 생성되지만 반대 방향이 됩니다 .
그런 다음 AC 전원의 경우처럼 코일을 통해 자화 전류의 방향을 양의 방향에서 음의 방향으로 지속적으로 변경함으로써 강자성 코어의 자기 히스테리시스 루프가 생성될 수 있습니다.
자기 히스테리시스 루프
위의 자기 히스테리시스 루프는 B 와 H 사이의 관계가 비선형 이므로 강자성 코어의 동작을 그래픽으로 보여줍니다 . 자화되지 않은 코어로 시작하면 B 와 H 모두 0, 자화 곡선의 지점 0 이 됩니다 .
자화 전류 i 가 양의 방향으로 어떤 값으로 증가하면 자기장 강도 H는 i 에 따라 선형적으로 증가 하고 자속 밀도 B도 포화 방향으로 향할 때 지점 0 에서 지점 a 까지 의 곡선에 표시된 대로 증가합니다 .
이제 코일의 자화 전류가 0으로 감소하면 코어 주위를 순환하는 자기장도 0으로 감소합니다. 그러나 코일 자속은 코어 내에 존재하는 잔류 자성으로 인해 0에 도달하지 않으며 이는 a 지점에서 b 지점까지의 곡선에 표시됩니다 .
b 지점의 자속 밀도를 0으로 줄이려 면 코일을 통해 흐르는 전류를 역전시켜야 합니다. 잔류 자속 밀도를 없애기 위해 적용되어야 하는 자화력을 "보자력"이라고 합니다. 이 보자력은 c 지점에서 코어가 자화되지 않을 때까지 분자 자석을 재배열하여 자기장을 반전시킵니다 .
이 역전류가 증가하면 코어가 반대 방향으로 자화되고 이 자화 전류가 더 증가하면 코어가 포화점에 도달하지만 반대 방향, 즉 곡선의 d 지점에 도달하게 됩니다.
이 점은 점 b 와 대칭입니다 . 자화 전류가 다시 0으로 감소하면 코어에 존재하는 잔류 자성은 이전 값과 동일하지만 e 지점에서는 반대가 됩니다 .
이번에 코일을 통해 흐르는 자화 전류를 양의 방향으로 다시 반전시키면 자속이 0( 곡선의 f 지점)에 도달하게 되며 자화 전류를 양의 방향으로 더 증가시키기 전과 마찬가지로 코어가 지점에서 포화 상태에 도달하게 됩니다. ㅏ .
그러면 BH 곡선 은 코일을 통해 흐르는 자화 전류가 AC 전압의 주기와 같이 양수 값과 음수 값 사이를 교대로 오가면서 abcdefa 의 경로를 따릅니다 . 이 경로를 자기 히스테리시스 루프(Magnetic Hysteresis Loop) 라고 합니다 .
자기 히스테리시스의 효과는 강자성 코어의 자화 과정과 그에 따른 자속 밀도가 강자성 코어가 자화되는 곡선의 어느 부분에 따라 달라지며 이는 코어에 "메모리"의 형태를 제공하는 과거 역사의 회로에 따라 달라짐을 보여줍니다. 그러면 강자성 물질은 외부 자기장이 제거된 후에도 자화 상태를 유지하기 때문에 기억력을 갖게 됩니다.
그러나 철이나 규소강과 같은 연성 강자성 재료는 매우 좁은 자기 이력 루프를 갖고 있어 매우 적은 양의 잔류 자성을 발생시키기 때문에 쉽게 자화 및 탈자할 수 있으므로 계전기, 솔레노이드 및 변압기에 사용하기에 이상적입니다.
이러한 잔류 자성을 극복하려면 보자력을 적용해야 하기 때문에 사용되는 에너지가 자성 물질에서 열로 소산되면서 히스테리시스 루프를 닫는 작업이 수행되어야 합니다. 이 열은 히스테리시스 손실로 알려져 있으며, 손실량은 재료의 보자력 값에 따라 달라집니다.
실리콘과 같은 철 금속에 첨가제를 추가하면 보자력이 매우 작고 히스테리시스 루프가 매우 좁은 재료를 만들 수 있습니다. 좁은 히스테리시스 루프를 갖는 재료는 쉽게 자화되고 자기화되지 않으며 연자성 재료로 알려져 있습니다.
연질 및 경질 재료를 위한 자기 히스테리시스 루프
자기 히스테리시스는 낭비되는 에너지를 열의 형태로 소산시키는 결과를 가져오며, 낭비되는 에너지는 자기 히스테리시스 루프의 면적에 비례합니다. 히스테리시스 손실은 전류가 지속적으로 방향을 바꾸는 AC 변압기에서 항상 문제가 되며, 따라서 코어의 자극은 지속적으로 방향을 바꾸기 때문에 손실을 유발합니다.
DC 기계의 회전 코일은 남쪽 자극을 북쪽으로 교대로 지나갈 때 히스테리시스 손실도 발생합니다. 이전에 말했듯이 히스테리시스 루프의 모양은 사용되는 철 또는 강철의 특성에 따라 달라지며, 예를 들어 변압기 코어와 같이 자성이 크게 반전되는 철의 경우 BH 히스테리시스 루프가 다음과 같은 것이 중요합니다. 가능한 한 작게.