Wat is magnetisch hysterese

Definitie van Magnetische Hysterese

Magnetische hysterese is een eigenschap van ferromagnetische materialen waarbij de magnetische reactie van het materiaal niet alleen afhangt van het huidige magnetische veld, maar ook van de eerdere blootstelling aan magnetische velden. In eenvoudige termen, wanneer je een magnetisch veld toepast op materialen zoals ijzer, worden ze gemagnetiseerd. Echter, wanneer het magnetische veld verandert of wordt verwijderd, verliezen deze materialen niet onmiddellijk hun magnetisatie. In plaats daarvan behouden ze een bepaald magnetisch geheugen, wat een vertraging in hun reactie veroorzaakt.

Dit vertraagde gedrag wordt verklaard door de fysica van magnetische domeinen—kleine regio's binnen het materiaal waar de magnetische momenten op één lijn liggen. Wanneer een extern magnetisch veld wordt toegepast, groeien of krimpen deze domeinen, maar keren ze niet onmiddellijk terug naar hun oorspronkelijke staat wanneer het veld verandert. Dit creëert een lusvormig patroon dat bekend staat als de magnetische hysterese-lus.

De hysterese-lus geeft grafisch weer hoe de magnetisatie (magnetische fluxdichtheid) van een materiaal verandert in reactie op de sterkte van het toegepaste magnetische veld (magnetische veldsterkte). Het onthult belangrijke kenmerken zoals coerciviteit (weerstand tegen demagnetisatie) en retentiviteit (restmagnetisatie), cruciaal voor het begrijpen en ontwerpen van magnetische apparaten.

Hoe Magnetische Hysterese Werkt

Magnetische hysterese ontstaat door de manier waarop magnetische materialen reageren wanneer je ze magnetiseert en vervolgens demagnetiseert. Wanneer je een magnetisch veld toepast, beginnen de kleine magnetische regio's van het materiaal, de domeinen genoemd, zich af te stemmen op dat veld. Deze afstemming zorgt voor magnetisatie. Maar wanneer je het magnetische veld wegneemt of omkeert, keren deze domeinen niet onmiddellijk terug naar hun oorspronkelijke staat. Deze vertraging veroorzaakt het hysterese-effect.

De magnetische hysterese-lus, of B-H-curve, is een grafiek die laat zien hoe de magnetische fluxdichtheid (B) van het materiaal verandert met de toegepaste magnetische veldsterkte (H). Belangrijke onderdelen van deze lus zijn onder andere:

• Coerciviteit: De omgekeerde magnetische veldsterkte die nodig is om de magnetisatie terug te brengen naar nul. Het toont hoe ‘hardnekkig’ de magneet is in het vasthouden van zijn magnetisme.
• Retentiviteit (of remanentie): De hoeveelheid resterende magnetisatie wanneer het externe magnetische veld wordt verwijderd. Dit vertelt je hoeveel magnetisch geheugen het materiaal behoudt.
• Saturatiemagnetisatie: De maximale magnetisatie die een materiaal kan bereiken wanneer alle domeinen volledig zijn uitgelijnd.

Types magnetische materialen en hun hysterese-eigenschappen

Magnetische materialen vallen voornamelijk in twee categorieën: zacht magnetisch materiaal en hard magnetische materialen. Elk type vertoont een ander hysterese-gedrag, wat hun praktische gebruik beïnvloedt.

Zachte magnetische materialen

• Hebben nauwe hysterese-lussen
• Lage coerciviteit (gemakkelijk te magnetiseren en demagnetiseren)
• Lage retentiviteit (ze houden magnetisatie niet goed vast)
• Ideaal voor toepassingen die snelle magnetische respons en minimale energieverlies vereisen

Veelvoorkomende voorbeelden:

• Siliciumstaal
• Ferrieten

Hard magnetische materialen

• Toon Brede hysterese-lussen
• Hoge coerciviteit (weerstand tegen demagnetisatie)
• Hoge retentiviteit (houdt magnetisatie lang vast)
• Gebruikt waar permanente magnetisatie nodig is

Veelvoorkomende voorbeelden:

• Zeldzame aardmagnets (zoals neodymium en samarium-cobalt)

Het begrijpen van deze verschillen helpt bij het kiezen van het juiste materiaal op basis van efficiëntie, magnetisch geheugen en energieverbruik—vooral belangrijk in de markt in Nederland voor industrieën zoals energie, elektronica en automotive.

Voor meer informatie over hoe magnetische materialen werken, bekijk deze zachte versus harde magnetische materialen gids.

Betekenis van magnetische hysterese in magnetische materialen

Magnetisch hysterese speelt een grote rol in hoe magnetische materialen presteren, vooral wanneer ze worden gebruikt in alledaagse apparaten. Een belangrijk probleem is energieverlies door hysterese, vaak hystereseverlies genoemd. Dit verlies ontstaat omdat een magnetisch materiaal zoals een transformatorkern of motorwikkeling door magnetisatie en demagnetisatie (wisselstroomtoepassingen) cyclus, energie verspilt als warmte. Dit vermindert de efficiëntie en kan de bedrijfskosten verhogen.

In transformatoren, inductoren en elektrische motoren beperkt hystereseverlies hoe goed het apparaat elektrische energie omzet en transporteert. Hoe uitgesprokener de hysterese-lus, hoe meer energie verloren gaat. Daarom is het belangrijk om materialen met lage coerciviteit en smalle hysterese-lussen te kiezen om de efficiëntie van het apparaat te verbeteren.

Naast energie toepassingen is magnetische hysterese cruciaal voor magnetische opslagapparaten en sensoren. Retentiviteit — het vermogen van een magnetisch materiaal om zijn magnetisatie te onthouden — maakt het mogelijk om gegevens op te slaan in harde schijven of sensoren stabiel en betrouwbaar te houden. Zonder gecontroleerde hysterese-eigenschappen zouden deze apparaten niet voorspelbaar werken of informatie goed vasthouden.

Het begrijpen en beheren van magnetische hysterese is essentieel voor het ontwerpen van betere, energiezuinige magnetische componenten en betrouwbare datatechnologieën.

Praktische Toepassingen van Magnetische Hysterese

Magnetische hysterese speelt een cruciale rol in veel praktische technologieën, vooral in de elektrotechniek. In transformatoren, motoren en generatoren helpt het beheersen van hysterese de efficiëntie te verbeteren door energieverliezen tijdens magnetisatiecycli te verminderen. Dit heeft directe invloed op de prestaties en levensduur van deze machines.

Bij gegevensopslag is magnetische hysterese de basis van magnetische opname. Apparaten zoals harde schijven vertrouwen op materialen die magnetische toestanden behouden (retentiviteit) om gegevens betrouwbaar op te slaan over tijd. De hysterese-eigenschappen zorgen ervoor dat de gegevens intact blijven totdat ze opzettelijk worden gewijzigd.

Magnetische sensoren en schakelaars zijn ook afhankelijk van hysterese. Deze apparaten gebruiken het magnetische geheugeneffect om veranderingen in magnetische velden te detecteren of schakelingen te regelen op basis van magnetische toestanden. Dit maakt ze essentieel in automatisering en veiligheidssystemen.

Tot slot helpt magnetische hysterese bij magnetische afscherming en ruisfiltering. Materialen met specifieke hysterese-eigenschappen kunnen ongewenste magnetische interferentie blokkeren of verminderen, waardoor gevoelige elektronica in medische apparaten, communicatiesystemen en industriële apparatuur wordt beschermd.

Het meten en analyseren van magnetische hysterese

Om magnetische hysterese te begrijpen en te optimaliseren, vertrouwen we op nauwkeurige instrumenten die de magnetische hysterese-lus meten, ook wel de B-H-curve genoemd. De twee meest gebruikte instrumenten zijn:

• Vibrerend Monster Magnetometer (VSM): Meet magnetische eigenschappen door het monster te laten vibreren in een magnetisch veld, en detecteert veranderingen in magnetisatie.
• B-H Lus Tracer: Traceert direct de hysterese-lus door de magnetische veldsterkte (H) te meten tegenover de magnetische fluxdichtheid (B).

Deze instrumenten helpen bij het verzamelen van belangrijke parameters uit de hysterese-lus:

Fabrikanten gebruiken deze metingen in kwaliteitscontrole om ervoor te zorgen dat materialen voldoen aan specifieke normen voor prestaties en efficiëntie. Consistentie in magnetische eigenschappen betekent betere betrouwbaarheid in transformatoren, motoren en opslagapparaten die in de markt van Nederland worden gebruikt.

Minimaliseren en beheersen van hystereseverlies

Het verminderen van hystereseverlies begint met het kiezen van het juiste type magnetisch materiaal. Zachte magnetische materialen zoals siliciumstaal of ferrieten hebben een lage coerciviteit, wat betekent dat ze gemakkelijk magnetiseren en demagnetiseren met minimale energieverlies. Deze zijn ideaal voor transformatoren en inductoren waar snelle magnetische veranderingen plaatsvinden. Aan de andere kant, hard magnetische materialen met hoge coerciviteit zijn ideaal wanneer je een permanente magneet wilt, maar hebben over het algemeen een hoger hystereseverlies.

Om hystereseverlies verder te beheersen, gebruiken fabrikanten vaak behandelingen zoals:

• Afnemen: Het verwarmen en langzaam afkoelen van materialen verlicht interne spanningen, verbetert magnetische eigenschappen en verlaagt energieverlies.
• Alloyering: Het toevoegen van elementen zoals aluminium, nikkel of kobalt helpt het magnetisch gedrag aan te passen en hysterese te verminderen.

Tot slot speelt slim ontwerp een grote rol. Ingenieurs optimaliseren de vormen van magnetische apparaten, kernmaten en wikkelingsconfiguraties om onnodige magnetische weerstand en energieverlies te minimaliseren. Het gebruik van gelamineerde kernen of poederkernen helpt ook om eddy-stromen te beperken, wat de inspanningen om hysterese-verliezen te verminderen aanvult.

Al deze strategieën samen maken magnetische componenten efficiënter en betrouwbaarder, wat ten goede komt aan alles van transformatoren tot elektrische motoren die op de markt worden gebruikt.