Permeabilitas dan Saturasi

Nonlinier permeabilitas material dapat digambarkan untuk pemahaman yang lebih baik. Kami akan menempatkan kuantitas intensitas medan (H), sama dengan gaya medan (mmf) dibagi dengan panjang material, pada sumbu horizontal grafik. Pada sumbu vertikal, kita akan menempatkan jumlah kerapatan fluks (B), sama dengan total fluks dibagi dengan luas penampang material.

Kami akan menggunakan besaran intensitas medan (H) dan kerapatan fluks (B) sebagai ganti gaya medan (mmf) dan fluks total (Φ) sehingga bentuk grafik kami tetap independen dari dimensi fisik bahan uji kami. Apa yang kami coba lakukan di sini adalah menunjukkan hubungan matematis antara gaya medan dan fluks untuk setiap bongkahan zat tertentu, dengan semangat yang sama seperti menggambarkan resistensi spesifik suatu material dalam ohm-cmil/ft alih-alih resistensi yang sebenarnya dalam ohm.

Ini disebut kurva magnetisasi normal , atau kurva B-H , untuk bahan tertentu. Perhatikan bagaimana kerapatan fluks untuk salah satu bahan di atas (besi tuang, baja tuang, dan baja lembaran) turun seiring dengan meningkatnya intensitas medan. Efek ini dikenal sebagai saturasi . Ketika ada sedikit gaya magnet yang diterapkan (H rendah), hanya beberapa atom yang sejajar, dan sisanya mudah disejajarkan dengan gaya tambahan.

Namun, karena lebih banyak fluks yang dijejalkan ke dalam luas penampang yang sama dari bahan feromagnetik, lebih sedikit atom yang tersedia di dalam bahan tersebut untuk menyelaraskan elektronnya dengan gaya tambahan, sehingga dibutuhkan lebih banyak dan lebih banyak gaya (H) untuk mendapatkan lebih sedikit dan lebih sedikit. "bantuan" dari bahan dalam menciptakan lebih banyak kerapatan fluks (B). Untuk menempatkan ini dalam ekonomi istilah, kami melihat kasus pengembalian yang semakin berkurang (B) atas investasi kami (H). Saturasi adalah fenomena yang terbatas pada elektromagnet inti besi.

Elektromagnet inti udara tidak jenuh, tetapi di sisi lain, mereka tidak menghasilkan fluks magnet yang hampir sama dengan inti feromagnetik untuk jumlah lilitan dan arus kawat yang sama.

Histeresis Magnetik

Kekhasan lain yang mengacaukan analisis kami tentang fluks magnet versus gaya adalah fenomena histeresis magnetik . Sebagai istilah umum, histerisis berarti jeda antara input dan output dalam sistem pada perubahan arah. Siapa pun yang pernah mengendarai mobil tua dengan kemudi "longgar" tahu apa itu histeresis:untuk mengubah dari belok kiri ke belok kanan (atau sebaliknya), Anda harus memutar setir lebih banyak untuk mengatasi "lag" bawaan. dalam sistem hubungan mekanis antara roda kemudi dan roda depan mobil.

Dalam sistem magnet, histeresis terlihat pada bahan feromagnetik yang cenderung tetap termagnetisasi setelah gaya medan yang diterapkan dihilangkan (lihat “retentivitas” di bagian pertama bab ini) jika gaya dibalik dalam polaritas.

Mari kita gunakan grafik yang sama lagi, hanya memperpanjang sumbu untuk menunjukkan kuantitas positif dan negatif. Pertama, kita akan menerapkan gaya medan yang meningkat (arus melalui kumparan elektromagnet kita). Kita akan melihat peningkatan kerapatan fluks (naik dan ke kanan) sesuai dengan kurva magnetisasi normal:

Selanjutnya, kita akan menghentikan arus yang melalui kumparan elektromagnet dan melihat apa yang terjadi pada fluks, membiarkan kurva pertama tetap pada grafik:

Karena retentivitas material, kami masih memiliki fluks magnet tanpa gaya yang diterapkan (tidak ada arus melalui koil). Inti elektromagnet kami bertindak sebagai magnet permanen pada saat ini. Sekarang kita perlahan-lahan akan menerapkan jumlah gaya medan magnet yang sama di berlawanan arah ke sampel kami:

Kerapatan fluks sekarang telah mencapai titik yang setara dengan nilai intensitas medan (H) positif penuh, kecuali dalam arah negatif, atau berlawanan. Mari hentikan arus yang melalui kumparan lagi dan lihat berapa banyak fluks yang tersisa:

Sekali lagi, karena retentivitas alami material, ia akan menahan fluks magnet tanpa daya yang diterapkan ke koil, kecuali kali ini dalam arah yang berlawanan dengan terakhir kali kita menghentikan arus melalui koil. Jika kita menerapkan kembali daya ke arah positif lagi, kita akan melihat kerapatan fluks mencapai puncak sebelumnya di sudut kanan atas grafik lagi:

Kurva berbentuk “S” yang dilacak dengan langkah-langkah ini membentuk apa yang disebut kurva histeresis dari bahan feromagnetik untuk serangkaian intensitas medan ekstrem tertentu (-H dan +H).

Contoh Histeresis pada Mobil

Pertimbangkan grafik histeresis untuk skenario kemudi mobil yang dijelaskan sebelumnya, satu grafik yang menggambarkan sistem kemudi "ketat" dan grafik yang menggambarkan sistem "longgar":

Sama seperti dalam kasus sistem kemudi mobil, histeresis bisa menjadi masalah. Jika Anda merancang sistem untuk menghasilkan jumlah fluks medan magnet yang tepat untuk jumlah arus tertentu, histeresis dapat menghalangi tujuan desain ini (karena fakta bahwa jumlah kerapatan fluks akan bergantung pada arus dan seberapa kuat magnet sebelumnya!). Demikian pula, sistem kemudi yang longgar tidak dapat diterima di mobil balap, di mana respons kemudi yang tepat dan berulang adalah suatu keharusan.

Juga, harus mengatasi magnetisasi sebelumnya dalam elektromagnet dapat menjadi pemborosan energi jika arus yang digunakan untuk memberi energi pada kumparan bolak-balik (AC). Area di dalam kurva histeresis memberikan perkiraan kasar jumlah energi yang terbuang ini.

Di lain waktu, histeresis magnetik adalah hal yang diinginkan. Seperti halnya ketika bahan magnetik digunakan sebagai sarana untuk menyimpan informasi (disk komputer, audio, dan kaset video). Dalam aplikasi ini, diinginkan untuk dapat memagnetisasi setitik oksida besi (ferit) dan mengandalkan retentivitas bahan tersebut untuk "mengingat" keadaan magnet terakhirnya.

Aplikasi lain yang produktif untuk histeresis magnetik adalah dalam menyaring "suara" elektromagnetik frekuensi tinggi (lonjakan tegangan bolak-balik dengan cepat) dari kabel sinyal dengan menjalankan kabel tersebut melalui bagian tengah cincin ferit. Energi yang dikonsumsi dalam mengatasi histeresis ferit melemahkan kekuatan sinyal “noise”. Yang cukup menarik, kurva histeresis ferit cukup ekstrim:

TINJAUAN:

• Permeabilitas material berubah dengan jumlah fluks magnet yang dipaksakan melaluinya.
• Hubungan spesifik gaya terhadap fluks (intensitas medan H terhadap kerapatan fluks B) digambarkan dalam bentuk yang disebut kurva magnetisasi normal .
• Ada kemungkinan untuk menerapkan begitu banyak gaya medan magnet ke bahan feromagnetik sehingga tidak ada lagi fluks yang dapat dijejalkan ke dalamnya. Kondisi ini dikenal sebagai saturasi magnetik .
• Saat retensi suatu zat feromagnetik mengganggu magnetisasi ulangnya dalam arah yang berlawanan, suatu kondisi yang dikenal sebagai histeresis terjadi.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Elektromagnetisme Menengah dan Induksi Elektromagnetik
• Lembar Kerja Satuan Magnetik Pengukuran