Histerese e perdas por correntes de Foucault

Durante a inversão de magnetização de materiais magnéticos por um campo magnético alternado, parte da energia do campo magnético envolvida na inversão de magnetização é perdida. Uma parte específica da energia, denominada "perda magnética específica", é dissipada por unidade de massa de um determinado material magnético na forma de calor.

Perdas magnéticas específicas incluem perdas dinâmicas, bem como perdas de histerese. Perdas dinâmicas incluem perdas causadas por correntes de Foucault (induzidas no material) e viscosidade magnética (o chamado efeito pós-magnético). Perdas devido à histerese magnética são explicadas por movimentos irreversíveis dos limites do domínio.

Cada material magnético tem sua própria perda de histerese proporcional à frequência do campo de magnetização magnetizante, bem como a área do loop de histerese deste material.

Loop de histerese:

Para encontrar o poder das perdas associadas à histerese em uma unidade de massa (em W / kg), a seguinte fórmula é usada:

Para reduzir as perdas por histerese, muitas vezes recorrem ao uso de tais materiais magnéticos, cuja força coercitiva é pequena, ou seja, materiais com um fino laço de histerese. Esse material é recozido para aliviar tensões na estrutura interna, reduzir o número de deslocamentos e outros defeitos e também aumentar o grão.

As correntes de Foucault também causam perdas irreversíveis. Elas se devem ao fato de que a magnetização magnetizante induz uma corrente dentro do material de magnetização. As perdas causadas por correntes parasitas, respectivamente, dependem da resistência elétrica do material de magnetização magnetizada e da configuração do circuito magnético.

Assim, quanto maior a resistividade (pior a condutividade) do material magnético, menores serão as perdas causadas pelas correntes de Foucault.

As perdas devido a correntes de Foucault são proporcionais à frequência do campo de magnetização ao quadrado, portanto, circuitos magnéticos feitos de materiais com alta condutividade elétrica não são aplicáveis ​​em dispositivos que operam em frequências suficientemente altas.

Para estimar a potência das perdas de corrente de Foucault para uma unidade de massa de material magnético (em W / kg), use a fórmula:

Como a perda de corrente de Foucault depende quantitativamente do quadrado da frequência, para o trabalho na região de alta frequência, é necessário, antes de tudo, levar em consideração a perda de corrente de Foucault.

Para minimizar essas perdas, tente usar núcleos magnéticos com maior resistência elétrica.

A fim de aumentar a resistência, os núcleos são montados a partir de uma pluralidade de folhas mutuamente isoladas de material ferromagnético com uma resistividade elétrica intrínseca suficientemente alta.

O material magnético em pó é pressionado com um dielétrico, de modo que as partículas do material magnético sejam separadas umas das outras por partículas dielétricas. Portanto, obtenha magnetodielétricos.

Outra opção é o uso de ferritas - uma cerâmica ferrimagnética especial, caracterizada por alta resistividade elétrica, próxima à resistência de dielétricos e semicondutores. De fato, ferritas são soluções sólidas de óxido de ferro com óxidos de alguns metais divalentes, que podem ser descritas pela fórmula generalizada:

Com uma diminuição na espessura da chapa de material metálico, as perdas causadas pelas correntes de Foucault diminuem de acordo. Mas, ao mesmo tempo, as perdas associadas à histerese aumentam, porque com o desbaste da folha o tamanho dos grãos também diminui, o que significa que a força coercitiva aumenta.

Quase com o aumento da frequência, as perdas por correntes de Foucault aumentam mais do que as perdas por histerese, isso pode ser visto pela comparação das duas primeiras fórmulas. E a uma certa frequência, as perdas por correntes de Foucault começam a prevalecer cada vez mais sobre as perdas por histerese.

Isso significa que, embora a espessura da folha dependa da frequência de trabalho, no entanto, para cada frequência, uma certa espessura da folha deve ser selecionada com a qual as perdas magnéticas como um todo serão minimizadas.

Normalmente, os materiais magnéticos tendem a atrasar a mudança em sua própria indução magnética, dependendo da duração do campo de magnetização.

Esse fenômeno causa perdas associadas ao efeito posterior magnético (ou à chamada viscosidade magnética). Isso ocorre devido à inércia do processo de remagnetização do domínio. Quanto menor a duração do campo magnético aplicado, maior o atraso e, portanto, a perda magnética causada pela "viscosidade magnética", mais. Esse fator deve ser considerado ao projetar dispositivos pulsados ​​com núcleos magnéticos.

As perdas de potência do efeito posterior magnético não podem ser calculadas diretamente, mas podem ser encontradas indiretamente - como a diferença entre as perdas magnéticas específicas totais e a soma das perdas devido a correntes de Foucault e histerese magnética:

Assim, no processo de inversão da magnetização, há um ligeiro atraso na indução magnética a partir da intensidade do campo de magnetização da magnetização na fase. A razão para isso é novamente correntes de Foucault, que, de acordo com a lei de Lenz, impedem mudanças na indução magnética, nos fenômenos de histerese e no efeito posterior magnético.

O ângulo de atraso de fase é chamado ângulo de perda magnética δm. As características das propriedades dinâmicas dos materiais magnéticos indicam um parâmetro como a tangente do ângulo de perda magnética tanδm.

Aqui está o circuito equivalente e o diagrama vetorial de uma bobina toroidal com um núcleo de material magnético, em que r1 é a resistência equivalente a todas as perdas magnéticas:

É visto que a tangente do ângulo de perda magnética é inversamente proporcional ao fator de qualidade da bobina. A indução Bm que surge sob essas condições no material magnetizável pode ser decomposta em dois componentes: o primeiro coincide em fase com a intensidade do campo de magnetização e o segundo fica 90 graus atrás dele.

O primeiro componente está diretamente relacionado aos processos reversíveis durante a reversão da magnetização, o segundo aos irreversíveis. Utilizados em circuitos CA, os materiais magnéticos são caracterizados em conexão com esse parâmetro, como permeabilidade magnética complexa: