Histèresi i pèrdues de corrent de remolí

Durant la reversió de la magnetització de materials magnètics per un camp magnètic altern, es perd una part de l’energia del camp magnètic implicada en la reversió de la magnetització. Una part específica de la potència, que s'anomena "pèrdua magnètica específica", es dissipa per unitat de massa d'un determinat material magnètic en forma de calor.

Les pèrdues magnètiques específiques inclouen pèrdues dinàmiques i també histèresis. Les pèrdues dinàmiques inclouen pèrdues causades per corrents de remolí (induïts en el material) i viscositat magnètica (l’anomenat aftereffet magnètic). Les pèrdues per histèresi magnètica s’expliquen mitjançant moviments irreversibles dels límits del domini.

Cada material magnètic té la seva pròpia pèrdua d’histèresi proporcional a la freqüència del camp de magnetització magnetitzador, així com a l’àrea del bucle d’histèresi d’aquest material.

Llaç histèresi:

Per trobar el poder de pèrdues associades a la histèresi en una unitat de massa (en W / kg), s’utilitza la fórmula següent:

Per reduir les pèrdues d’histeresi, sovint es recorre a l’ús d’aquests materials magnètics, la força coercitiva dels quals és petita, és a dir, a materials amb un bucle d’histèresi prim. Aquest material està recuperat per alleujar les tensions de l’estructura interna, reduir el nombre de luxacions i altres defectes i també augmentar el gra.

Els corrents de corrent també causen pèrdues irreversibles. Es deuen al fet que el camp de magnetització induint un corrent dins del material de magnetització. Les pèrdues causades per corrents de remolí depenen, respectivament, de la resistència elèctrica del material de magnetització magnetitzada i de la configuració del circuit magnètic.

Així, com més gran sigui la resistivitat (pitjor és la conductivitat) del material magnètic, més petites són les pèrdues causades pels corrents de corrent.

Les pèrdues degudes a corrents de corrent són proporcionals a la freqüència del camp de magnetització que es pot quadrar; per tant, els circuits magnètics formats per materials amb alta conductivitat elèctrica no són aplicables en dispositius que funcionen a freqüències prou altes.

Per estimar la potència de les pèrdues de corrent de remolí per a una massa unitària de material magnètic (en W / kg), utilitzeu la fórmula:

 

Com que les pèrdues degudes a corrents de remolins depenen quantitativament del quadrat de la freqüència, per treballar a la regió d’alta freqüència, primer cal tenir en compte les pèrdues degudes als corrents de remolí.

Per minimitzar aquestes pèrdues, intenten utilitzar nuclis magnètics amb una major resistència elèctrica.

Per augmentar la resistència, els nuclis es reuneixen a partir de diverses fulles de material ferromagnètic mútuament aïllades amb una resistència elèctrica intrínseca prou alta.

El material magnètic en pols es pressiona amb un dielèctric de manera que les partícules del material magnètic estan separades les unes de les altres per partícules dielèctriques. Per tant, obteniu magnetodielectrics.

Una altra opció és l’ús de ferrites: una ceràmica ferrimagnètica especial, caracteritzada per una alta resistència elèctrica, propera a la resistència de les dielectriques i semiconductors. De fet, els ferrits són solucions sòlides d’òxid de ferro amb òxids d’alguns metalls divalents, que es poden descriure mitjançant la fórmula generalitzada:

 

Amb una disminució del gruix de la xapa de material metàl·lic, les pèrdues causades pels corrents de corrent disminueixen en conseqüència. Però, al mateix temps, augmenten les pèrdues associades a la histèresi, ja que amb l’aprimament de la fulla també disminueix la mida del gra, cosa que significa que la força coercitiva creix.

Gairebé amb la freqüència creixent, les pèrdues de corrent de corrent augmenten més que les pèrdues d’histèresi, això es pot comprovar si es comparen les dues primeres fórmules. I a una certa freqüència, les pèrdues de corrent de remolí comencen a prevaldre cada cop més sobre les pèrdues d’histèresi.

Això vol dir que, tot i que el gruix de la làmina depèn de la freqüència de treball, no obstant això, per a cada freqüència, s’ha de seleccionar un cert gruix de la xapa amb la qual cosa es minimitzaran les pèrdues magnètiques en el seu conjunt.

Típicament, els materials magnètics solen endarrerir el canvi en la seva pròpia inducció magnètica, depenent de la durada del camp de magnetització.

Aquest fenomen provoca pèrdues associades al reafecte magnètic (o anomenada viscositat magnètica). Això es deu a la inèrcia del procés de remagnetització del domini. Com més curta sigui la durada del camp magnètic aplicat, més llarg serà el retard i, per tant, la pèrdua magnètica causada per la "viscositat magnètica", més. Aquest factor s’ha de tenir en compte a l’hora de dissenyar dispositius polsats amb nuclis magnètics.

Les pèrdues de potència de l’afterfect magnètic no es poden calcular directament, però es poden trobar indirectament, ja que la diferència entre les pèrdues magnètiques específiques totals i la suma de les pèrdues degudes a corrents de remolí i histèresi magnètica:

Així doncs, en el procés de reversió de la magnetització hi ha un lleuger retard en la inducció magnètica de la intensitat del camp de magnetització magnetitzant en fase. El motiu d’això són els corrents de remolí que, segons la llei de Lenz, impedeixen els canvis en la inducció magnètica, els fenòmens d’histèresi i l’aftereffet magnètic.

L’angle de retard de fase s’anomena angle de pèrdua magnètica δm. Les característiques de les propietats dinàmiques dels materials magnètics indiquen un paràmetre com la tangent de l’angle de pèrdua magnètica tanδm.

A continuació, es mostra el diagrama de circuit i vector equivalent per a una bobina toroidal amb un nucli de material magnètic, on r1 és la resistència equivalent a totes les pèrdues magnètiques:

Es veu que la tangent de l’angle de pèrdua magnètica és inversament proporcional al factor de qualitat de la bobina. La inducció Bm sorgida d’aquestes condicions en el material magnetitzable es pot descompondre en dos components: el primer coincideix en fase amb la intensitat del camp de magnetització i el segon es queda 90 graus darrere d’aquest.

El primer component està directament relacionat amb processos reversibles durant la reversió de magnetització, el segon amb irreversibles. Utilitzats en circuits de CA, els materials magnètics es caracteritzen en relació amb aquest paràmetre, com ara la permeabilitat magnètica complexa: