재료 투과율 의 비선형성은 더 나은 이해를 위해 그래프로 나타낼 수 있습니다. 우리는 재료의 길이로 나눈 전계 강도(H)의 양을 그래프의 수평 축에 놓습니다. 우리는 재료의 단면적으로 나눈 총 플럭스에 해당하는 플럭스 밀도(B)의 양을 수직 축에 놓습니다.
우리는 필드 힘(mmf)과 총 플럭스(Φ) 대신 필드 강도(H)와 플럭스 밀도(B)의 양을 사용하여 그래프의 모양이 테스트 재료의 물리적 치수와 무관하게 유지되도록 할 것입니다. 여기서 우리가 하려는 것은 특정 물질의 덩어리에 대한 필드 힘과 플럭스 간의 수학적 관계를 보여주는 것이며, 실제 저항(옴 ) 대신 재료의 비저항을 옴-cmil/ft로 설명하는 것과 같은 정신으로 하는 것입니다 .
이것을 특정 재료에 대한 정상 자화 곡선 또는 BH 곡선 이라고 합니다 . 위의 재료(주철, 주강, 강판) 중 어느 것에 대한 자속 밀도가 전계 강도가 증가함에 따라 어떻게 평준화되는지 주목하세요. 이 효과를 포화 라고 합니다 . 가해지는 자기력이 거의 없을 때(낮은 H) 몇 개의 원자만 정렬되고 나머지는 추가 힘으로 쉽게 정렬됩니다.
그러나 강자성 재료의 동일한 단면적에 더 많은 플럭스가 붐비면, 그 재료 내에서 전자를 추가 힘으로 정렬할 수 있는 원자가 줄어들고, 따라서 더 많은 플럭스 밀도(B)를 생성하는 데 재료로부터 점점 더 적은 "도움"을 받으려면 점점 더 많은 힘(H)이 필요합니다. 이를 경제적 으로 표현하자면 , 우리는 투자(H)에 대한 수익 감소(B) 사례를 보고 있습니다. 포화는 철심 전자석에 국한된 현상입니다.
공기 코어 전자석은 포화되지 않지만 반면에 동일한 수의 와이어 턴과 전류에 대해 강자성 코어만큼 많은 자속을 생성하지 않습니다.
자기 히스테리시스
자속 대 힘에 대한 분석을 혼란스럽게 만드는 또 다른 이상한 점은 자기 히스테리시스 현상입니다 . 일반적인 용어로 히스테리시스는 방향이 변경될 때 시스템에서 입력과 출력 사이에 지연이 발생하는 것을 의미합니다. "느슨한" 조향 장치가 있는 오래된 자동차를 운전해 본 사람이라면 누구나 히스테리시스가 무엇인지 알고 있을 것입니다. 좌회전에서 우회전으로(또는 그 반대로) 변경하려면 스티어링 휠과 자동차 앞바퀴 사이의 기계적 연결 시스템에 내장된 "지연"을 극복하기 위해 스티어링 휠을 추가로 돌려야 합니다.
자기 시스템에서는 강자성 물질에서 히스테리시스가 나타나는데, 이는 적용된 자기장이 제거된 후에도 자기화된 상태를 유지하는 경향이 있기 때문입니다(이 장의 첫 번째 섹션에 있는 " 유지성 " 참조). 이는 힘의 극성이 반전된 경우입니다.
같은 그래프를 다시 사용하겠습니다. 양수와 음수 양을 나타내기 위해 축만 확장합니다. 먼저 증가하는 자기장 힘(전자석 코일을 통과하는 전류)을 적용합니다. 일반적인 자화 곡선에 따라 플럭스 밀도가 증가(위로 오른쪽으로 이동)하는 것을 볼 수 있습니다.
다음으로 전자석 코일을 통과하는 전류를 멈추고 그래프의 첫 번째 곡선을 그대로 두고 플럭스에 무슨 일이 일어나는지 살펴보겠습니다.
재료의 보유성으로 인해 우리는 여전히 적용된 힘(코일을 통한 전류 없음)이 없는 자속을 가지고 있습니다. 우리의 전자석 코어는 이 지점에서 영구 자석 으로 작용합니다. 이제 우리는 샘플과 반대 방향 으로 같은 양의 자기장 힘을 천천히 적용할 것입니다 .
플럭스 밀도는 이제 전계 강도(H)의 완전한 양의 값과 동일한 지점에 도달했습니다. 단, 음수 또는 반대 방향입니다. 코일을 통과하는 전류를 다시 멈추고 얼마나 많은 플럭스가 남아 있는지 살펴보겠습니다.
다시 한번, 재료의 자연스러운 유지력으로 인해 코일에 전력이 인가되지 않아도 자속을 유지하지만 이번에는 마지막으로 코일을 통해 전류를 멈췄을 때와 반대 방향입니다. 다시 양의 방향으로 전력을 재인가하면 그래프의 오른쪽 상단 모서리에서 자속 밀도가 이전 피크에 도달하는 것을 다시 볼 수 있습니다.
이러한 단계에 의해 추적되는 "S"자 모양 곡선은 주어진 일련의 전계 강도 극단(-H 및 +H)에 대한 강자성 물질의 히스테리시스 곡선 이라고 하는 것을 형성합니다 .
자동차의 히스테리시스 예
이전에 설명한 자동차 조향 시나리오에 대한 히스테리시스 그래프를 고려해 보겠습니다. 한 그래프는 "단단한" 조향 시스템을 나타내고 다른 그래프는 "느슨한" 시스템을 나타냅니다.
자동차 조향 시스템의 경우와 마찬가지로 히스테리시스는 문제가 될 수 있습니다. 주어진 양의 전류에 대해 정확한 양의 자기장 플럭스를 생성하는 시스템을 설계하는 경우 히스테리시스가 이 설계 목표를 방해할 수 있습니다(플럭스 밀도의 양은 전류와 이전에 얼마나 강하게 자화되었는지에 따라 달라지기 때문입니다!). 마찬가지로, 정밀하고 반복 가능한 조향 반응이 필요한 경주용 자동차에서는 느슨한 조향 시스템이 용납될 수 없습니다.
또한, 전자석에서 사전 자화를 극복해야 하는 것은 코일에 에너지를 공급하는 데 사용되는 전류가 앞뒤로 번갈아 가며(AC) 발생하는 경우 에너지 낭비가 될 수 있습니다. 히스테리시스 곡선 내의 면적은 이 낭비되는 에너지의 양을 대략적으로 추정합니다.
다른 경우에는 자기 히스테리시스가 바람직한 것입니다. 이는 자성 재료가 정보를 저장하는 수단(컴퓨터 디스크, 오디오 및 비디오 테이프)으로 사용되는 경우입니다. 이러한 응용 분야에서는 산화철(페라이트)의 작은 조각을 자화하고 해당 재료의 보유력에 의존하여 마지막 자화된 상태를 "기억"하는 것이 바람직합니다.
자기 히스테리시스에 대한 또 다른 생산적인 응용 분야는 페라이트 링의 중앙을 통해 이러한 전선을 실행하여 신호 배선에서 고주파 전자기 "노이즈"(전압의 급속한 교류 서지)를 필터링하는 것입니다. 페라이트의 히스테리시스를 극복하는 데 소비되는 에너지는 "노이즈" 신호의 강도를 약화시킵니다. 흥미롭게도, 페라이트의 히스테리시스 곡선은 매우 극단적입니다.
검토:
- 물질의 투자율은 그 물질을 통과하는 자기선속의 양에 따라 변한다.
- 힘과 자속의 특정한 관계(자기장 세기 H 대 자속 밀도 B)는 정상 자화 곡선 이라는 형태로 그래프로 표시됩니다 .
- 강자성 물질에 너무 많은 자기장 힘을 가하면 더 이상 플럭스를 채울 수 없게 됩니다. 이 상태를 자기 포화 라고 합니다 .
- 강자성 물질의 자성 유지력이 반대 방향으로의 재자화를 방해할 때 히스테리시스 라고 알려진 상태가 발생합니다.