Hystérésis et pertes par courants de Foucault

Lors de l'inversion de magnétisation de matériaux magnétiques par un champ magnétique alternatif, une partie de l'énergie du champ magnétique impliqué dans l'inversion de magnétisation est perdue. Une partie spécifique de la puissance, appelée «perte magnétique spécifique», est dissipée par unité de masse d'un certain matériau magnétique sous forme de chaleur.

Les pertes magnétiques spécifiques comprennent les pertes dynamiques ainsi que les pertes d'hystérésis. Les pertes dynamiques comprennent les pertes causées par les courants de Foucault (induits dans le matériau) et la viscosité magnétique (ce que l'on appelle l'effet secondaire magnétique). Les pertes dues à l'hystérésis magnétique s'expliquent par des mouvements irréversibles des limites du domaine.

Chaque matériau magnétique a sa propre perte d'hystérésis proportionnelle à la fréquence du champ magnétisant magnétisant, ainsi que la surface de la boucle d'hystérésis de ce matériau.

Boucle d'hystérésis:

Pour trouver la puissance des pertes associées à l'hystérésis dans une unité de masse (en W / kg), la formule suivante est utilisée:

Pour réduire les pertes d'hystérésis, on recourt le plus souvent à l'utilisation de tels matériaux magnétiques dont la force coercitive est faible, c'est-à-dire les matériaux à fine boucle d'hystérésis. Un tel matériau est recuit pour soulager les contraintes dans la structure interne, réduire le nombre de dislocations et autres défauts, et également agrandir le grain.

Les courants de Foucault provoquent également des pertes irréversibles. Ils sont dus au fait que le champ de magnétisation magnétisant induit un courant à l'intérieur du matériau de magnétisation. Les pertes causées par les courants de Foucault, respectivement, dépendent de la résistance électrique du matériau de magnétisation magnétisé et de la configuration du circuit magnétique.

Ainsi, plus la résistivité (la pire conductivité) du matériau magnétique est grande, plus les pertes causées par les courants de Foucault sont faibles.

Les pertes dues aux courants de Foucault sont proportionnelles à la fréquence du champ magnétisant magnétisant au carré, donc les circuits magnétiques en matériaux à haute conductivité électrique ne sont pas applicables dans les appareils fonctionnant à des fréquences suffisamment élevées.

Pour estimer la puissance des pertes par courants de Foucault pour une masse unitaire de matériau magnétique (en W / kg), utilisez la formule:

Les pertes dues aux courants de Foucault dépendant quantitativement du carré de la fréquence, pour travailler dans la zone haute fréquence, il faut tout d'abord prendre en compte les pertes dues aux courants de Foucault.

Pour minimiser ces pertes, ils essaient d'utiliser des noyaux magnétiques avec une résistance électrique plus élevée.

Afin d'augmenter la résistance, les noyaux sont assemblés à partir d'une pluralité de feuilles de matériau ferromagnétique mutuellement isolées avec une résistivité électrique intrinsèque suffisamment élevée.

Le matériau magnétique en poudre est pressé avec un diélectrique de sorte que les particules du matériau magnétique sont séparées les unes des autres par des particules diélectriques. Alors obtenez des magnétodielectriques.

Une autre option est l'utilisation de ferrites - une céramique ferrimagnétique spéciale, caractérisée par une résistivité électrique élevée, proche de la résistance des diélectriques et des semi-conducteurs. En fait, les ferrites sont des solutions solides d'oxyde de fer avec des oxydes de certains métaux divalents, qui peuvent être décrits par la formule généralisée:

Avec une diminution de l'épaisseur de la feuille de matériau métallique, les pertes provoquées par les courants de Foucault diminuent en conséquence. Mais en même temps, les pertes associées à l'hystérésis augmentent, car avec l'amincissement de la feuille, la taille des grains diminue également, ce qui signifie que la force coercitive augmente.

Presque avec une fréquence croissante, les pertes par courants de Foucault augmentent plus que les pertes par hystérésis, cela peut être vu en comparant les deux premières formules. Et à une certaine fréquence, les pertes par courants de Foucault prévalent de plus en plus sur les pertes par hystérésis.

Cela signifie que bien que l'épaisseur de la feuille dépende de la fréquence de fonctionnement, néanmoins, pour chaque fréquence, une certaine épaisseur de la feuille doit être choisie, avec laquelle les pertes magnétiques dans leur ensemble seront minimisées.

En règle générale, les matériaux magnétiques ont tendance à retarder le changement de leur propre induction magnétique, en fonction de la durée du champ magnétisant.

Ce phénomène provoque des pertes associées à un effet secondaire magnétique (ou à la soi-disant viscosité magnétique). Cela est dû à l'inertie du processus de remagnétisation du domaine. Plus la durée du champ magnétique appliqué est courte, plus le retard est long, et donc la perte magnétique causée par la "viscosité magnétique", plus. Ce facteur doit être pris en compte lors de la conception d'appareils pulsés à noyau magnétique.

Les pertes de puissance de l'effet secondaire magnétique ne peuvent pas être calculées directement, mais elles peuvent être trouvées indirectement - comme la différence entre les pertes magnétiques spécifiques totales et la somme des pertes dues aux courants de Foucault et à l'hystérésis magnétique:

Ainsi, dans le processus d'inversion de la magnétisation, il y a un léger retard dans l'induction magnétique par rapport à l'intensité du champ de magnétisation magnétisant en phase. La raison en est à nouveau les courants de Foucault qui, selon la loi de Lenz, empêchent les changements d'induction magnétique, les phénomènes d'hystérésis et les séquelles magnétiques.

L'angle de retard de phase est appelé angle de perte magnétique δm. Les caractéristiques des propriétés dynamiques des matériaux magnétiques indiquent un paramètre tel que la tangente de l'angle de perte magnétique tanδm.

Voici le circuit équivalent et le diagramme vectoriel d'une bobine toroïdale avec un noyau de matériau magnétique, où r1 est la résistance équivalente de toutes les pertes magnétiques:

On voit que la tangente de l'angle de perte magnétique est inversement proportionnelle au facteur de qualité de la bobine. L'induction Bm apparaissant dans ces conditions dans le matériau magnétisable peut être décomposée en deux composantes: la première coïncide en phase avec l'intensité du champ magnétisant, et la seconde est décalée de 90 degrés derrière elle.

Le premier composant est directement lié aux processus réversibles lors de l'inversion de l'aimantation, le second aux processus irréversibles. Utilisés dans les circuits AC, les matériaux magnétiques sont caractérisés en relation avec ce paramètre tels que la perméabilité magnétique complexe: