Kurva Histerisis Magnet
Kelambatan atau keterlambatan (densitas) dari bahan magnet yang dikenal sebagai Histerisis Magnetis, berkaitan dengan sifat magnetisasi dari bahan yang pertama kali menjadi magnetis dan kemudian de-magnetis.
Kita tahu bahwa fluks magnet yang dihasilkan oleh kumparan elektromagnetik adalah jumlah medan magnet atau garis-garis gaya yang dihasilkan dalam area tertentu dan lebih umum disebut "Kerapatan Flux". Diberi simbol B dengan satuan kerapatan fluks menjadi Tesla, T.
Kita juga tahu dari tutorial sebelumnya tentang Kumparan Magnet bahwa kekuatan magnet dari sebuah elektromagnetik tergantung pada jumlah putaran kumparan, arus yang mengalir melalui kumparan atau jenis bahan inti yang digunakan, dan jika kita meningkatkan arus atau jumlah arus. ternyata kita bisa meningkatkan kekuatan medan magnet, simbol H.
Sebelumnya, permeabilitas relatif, simbol μr didefinisikan sebagai rasio permeabilitas absolut μ dan permeabilitas ruang bebas μo (ruang hampa) dan ini diberikan sebagai konstanta.
Namun, hubungan antara kerapatan fluks, B dan kekuatan medan magnet, H dapat didefinisikan oleh fakta bahwa permeabilitas relatif, μr bukan konstanta tetapi fungsi dari intensitas medan magnet sehingga memberikan kerapatan fluks magnet sebagai: B = μ H.
Kemudian kerapatan fluks magnetis dalam material akan meningkat dengan faktor yang lebih besar sebagai akibat permeabilitas relatifnya terhadap material dibandingkan dengan kerapatan fluks magnetis dalam vakum, μoH dan untuk coil berinti udara hubungan ini diberikan sebagai:
Jadi untuk bahan feromagnetik rasio kerapatan fluks terhadap kekuatan medan ( B/H ) tidak konstan tetapi bervariasi dengan kerapatan fluks. Namun, untuk kumparan berinti udara atau inti media non-magnetis seperti kayu atau plastik, rasio ini dapat dianggap sebagai konstanta dan konstanta ini dikenal sebagai μo, permeabilitas ruang bebas, ( μo = 4.π. 10-7 H/m ).
Dengan memplot nilai kerapatan fluks, ( B ) terhadap kekuatan medan, ( H ) kita dapat menghasilkan satu set kurva yang disebut Kurva Magnet, Kurva Histerisis Magnet atau lebih umum Kurva B-H untuk setiap jenis bahan inti yang digunakan seperti ditunjukkan di bawah ini.
Himpunan kurva magnetisasi, M di atas merupakan contoh hubungan antara B dan H untuk besi lunak dan inti baja tetapi setiap jenis bahan inti akan memiliki rangkaian kurva Histerisis magnetis-nya sendiri.
Anda mungkin memperhatikan bahwa kerapatan fluks meningkat secara proporsional dengan kekuatan medan sampai mencapai nilai tertentu seandainya itu tidak dapat meningkat lagi menjadi hampir rata dan konstan karena kekuatan medan terus meningkat.
Ini karena ada batasan jumlah kerapatan fluks yang dapat dihasilkan oleh inti karena semua domain pada besi selaras sempurna. Setiap kenaikan lebih lanjut tidak akan berpengaruh pada nilai M, dan titik pada grafik di mana kerapatan fluks mencapai batasnya disebut Saturasi Magnetis juga dikenal sebagai Saturasi Inti dan dalam contoh sederhana kami di atas titik saturasi dari kurva baja dimulai sekitar 3000 ampere-belokan per meter.
Saturasi terjadi karena seperti yang kita ingat dari tutorial Magnet dan Elektromagnetik sebelumnya yang memasukkan teori Weber, susunan acak dari struktur molekul di dalam bahan inti berubah ketika magnet molekul kecil di dalam materi tersebut menjadi "berbaris".
Ketika kekuatan medan magnet, ( H ) meningkatkan magnet molekul ini menjadi lebih dan lebih selaras sampai mencapai keselarasan sempurna menghasilkan kerapatan fluks maksimum dan setiap peningkatan kekuatan medan magnet karena peningkatan arus listrik yang mengalir melalui coil akan memiliki sedikit atau tidak ada efek.
Jika sekarang kita membuka sakelar dan menghilangkan arus magnetis yang mengalir melalui coil, kita akan berharap medan magnet di sekitar coil menghilang ketika fluks magnet berkurang menjadi nol.
Namun, fluks magnet tidak sepenuhnya hilang karena bahan inti elektromagnetik masih mempertahankan sebagian dari magnetnya bahkan ketika arus telah berhenti mengalir di coil.
Kemampuan ini dalam kumparan untuk mempertahankan beberapa magnet yang dalam inti setelah proses magnetisasi telah berhenti disebut Retensivitas atau remanen, sementara jumlah kerapatan fluks masih tersisa di inti disebut Residual Magnetis, BR.
Alasan untuk ini bahwa beberapa magnet molekul kecil tidak kembali ke pola yang benar-benar acak dan masih menunjuk ke arah medan magnetisasi asli memberi mereka semacam "memori". Beberapa bahan feromagnetik memiliki daya retensivitas tinggi (magnetis keras) membuatnya sangat baik untuk menghasilkan magnet permanen.
Sementara bahan feromagnetik lainnya memiliki retensivitas rendah (magnetis lunak) membuatnya ideal untuk digunakan dalam elektromagnetik, solenoida atau relai.
Salah satu cara untuk mengurangi kerapatan fluks residual ini menjadi nol adalah dengan membalik arah arus yang mengalir melalui coil, sehingga membuat nilai H, kekuatan medan magnet negatif. Efek ini disebut Gaya Koersif, HC.
Jika arus balik ini meningkat lebih jauh, kerapatan fluks juga akan meningkat ke arah sebaliknya sampai inti feromagnetik mencapai saturasi lagi tetapi dalam arah sebaliknya dari sebelumnya. Mengurangi arus magnet, I sekali lagi ke nol akan menghasilkan jumlah yang sama dari magnet sisa tetapi dalam arah sebaliknya.
Kemudian dengan secara konstan mengubah arah arus magnetisasi melalui coil dari arah positif ke arah negatif, seperti halnya pada supply AC, loop Histerisis Magnet dari inti feromagnetik dapat diproduksi.
Histerisis Magnetic loop di atas, menunjukkan perilaku inti feromagnetik grafis sebagai hubungan antara B dan H adalah non-linear. Dimulai dengan inti yang tidak termagnetisasi baik B dan H akan berada pada nol, titik 0 pada kurva magnetisasi.
Jika arus magnetisasi, i meningkat ke arah positif ke beberapa nilai, kekuatan medan magnet H meningkat secara linier dengan i dan kerapatan fluks B juga akan meningkat seperti yang ditunjukkan oleh kurva dari titik 0 ke titik a saat mengarah ke saturasi.
Sekarang jika arus magnetisasi pada coil dikurangi menjadi nol, medan magnet yang beredar di sekitar inti juga berkurang menjadi nol. Namun, fluks magnet kumparan tidak akan mencapai nol karena adanya sisa magnet dalam inti dan ini ditunjukkan pada kurva dari titik a ke titik b.
Kita tahu bahwa fluks magnet yang dihasilkan oleh kumparan elektromagnetik adalah jumlah medan magnet atau garis-garis gaya yang dihasilkan dalam area tertentu dan lebih umum disebut "Kerapatan Flux". Diberi simbol B dengan satuan kerapatan fluks menjadi Tesla, T.
Kita juga tahu dari tutorial sebelumnya tentang Kumparan Magnet bahwa kekuatan magnet dari sebuah elektromagnetik tergantung pada jumlah putaran kumparan, arus yang mengalir melalui kumparan atau jenis bahan inti yang digunakan, dan jika kita meningkatkan arus atau jumlah arus. ternyata kita bisa meningkatkan kekuatan medan magnet, simbol H.
Sebelumnya, permeabilitas relatif, simbol μr didefinisikan sebagai rasio permeabilitas absolut μ dan permeabilitas ruang bebas μo (ruang hampa) dan ini diberikan sebagai konstanta.
Namun, hubungan antara kerapatan fluks, B dan kekuatan medan magnet, H dapat didefinisikan oleh fakta bahwa permeabilitas relatif, μr bukan konstanta tetapi fungsi dari intensitas medan magnet sehingga memberikan kerapatan fluks magnet sebagai: B = μ H.
Kemudian kerapatan fluks magnetis dalam material akan meningkat dengan faktor yang lebih besar sebagai akibat permeabilitas relatifnya terhadap material dibandingkan dengan kerapatan fluks magnetis dalam vakum, μoH dan untuk coil berinti udara hubungan ini diberikan sebagai:
Jadi untuk bahan feromagnetik rasio kerapatan fluks terhadap kekuatan medan ( B/H ) tidak konstan tetapi bervariasi dengan kerapatan fluks. Namun, untuk kumparan berinti udara atau inti media non-magnetis seperti kayu atau plastik, rasio ini dapat dianggap sebagai konstanta dan konstanta ini dikenal sebagai μo, permeabilitas ruang bebas, ( μo = 4.π. 10-7 H/m ).
Dengan memplot nilai kerapatan fluks, ( B ) terhadap kekuatan medan, ( H ) kita dapat menghasilkan satu set kurva yang disebut Kurva Magnet, Kurva Histerisis Magnet atau lebih umum Kurva B-H untuk setiap jenis bahan inti yang digunakan seperti ditunjukkan di bawah ini.
Kurva Histerisis Magnet atau Kurva B-H
Himpunan kurva magnetisasi, M di atas merupakan contoh hubungan antara B dan H untuk besi lunak dan inti baja tetapi setiap jenis bahan inti akan memiliki rangkaian kurva Histerisis magnetis-nya sendiri.
Anda mungkin memperhatikan bahwa kerapatan fluks meningkat secara proporsional dengan kekuatan medan sampai mencapai nilai tertentu seandainya itu tidak dapat meningkat lagi menjadi hampir rata dan konstan karena kekuatan medan terus meningkat.
Ini karena ada batasan jumlah kerapatan fluks yang dapat dihasilkan oleh inti karena semua domain pada besi selaras sempurna. Setiap kenaikan lebih lanjut tidak akan berpengaruh pada nilai M, dan titik pada grafik di mana kerapatan fluks mencapai batasnya disebut Saturasi Magnetis juga dikenal sebagai Saturasi Inti dan dalam contoh sederhana kami di atas titik saturasi dari kurva baja dimulai sekitar 3000 ampere-belokan per meter.
Saturasi terjadi karena seperti yang kita ingat dari tutorial Magnet dan Elektromagnetik sebelumnya yang memasukkan teori Weber, susunan acak dari struktur molekul di dalam bahan inti berubah ketika magnet molekul kecil di dalam materi tersebut menjadi "berbaris".
Ketika kekuatan medan magnet, ( H ) meningkatkan magnet molekul ini menjadi lebih dan lebih selaras sampai mencapai keselarasan sempurna menghasilkan kerapatan fluks maksimum dan setiap peningkatan kekuatan medan magnet karena peningkatan arus listrik yang mengalir melalui coil akan memiliki sedikit atau tidak ada efek.
Retensivitas
Mari kita asumsikan bahwa kita memiliki kumparan elektromagnetik dengan kekuatan medan tinggi karena arus yang mengalir melaluinya, dan bahwa bahan inti feromagnetik telah mencapai titik jenuh/saturasi, kepadatan fluks maksimum.Jika sekarang kita membuka sakelar dan menghilangkan arus magnetis yang mengalir melalui coil, kita akan berharap medan magnet di sekitar coil menghilang ketika fluks magnet berkurang menjadi nol.
Namun, fluks magnet tidak sepenuhnya hilang karena bahan inti elektromagnetik masih mempertahankan sebagian dari magnetnya bahkan ketika arus telah berhenti mengalir di coil.
Kemampuan ini dalam kumparan untuk mempertahankan beberapa magnet yang dalam inti setelah proses magnetisasi telah berhenti disebut Retensivitas atau remanen, sementara jumlah kerapatan fluks masih tersisa di inti disebut Residual Magnetis, BR.
Alasan untuk ini bahwa beberapa magnet molekul kecil tidak kembali ke pola yang benar-benar acak dan masih menunjuk ke arah medan magnetisasi asli memberi mereka semacam "memori". Beberapa bahan feromagnetik memiliki daya retensivitas tinggi (magnetis keras) membuatnya sangat baik untuk menghasilkan magnet permanen.
Sementara bahan feromagnetik lainnya memiliki retensivitas rendah (magnetis lunak) membuatnya ideal untuk digunakan dalam elektromagnetik, solenoida atau relai.
Salah satu cara untuk mengurangi kerapatan fluks residual ini menjadi nol adalah dengan membalik arah arus yang mengalir melalui coil, sehingga membuat nilai H, kekuatan medan magnet negatif. Efek ini disebut Gaya Koersif, HC.
Jika arus balik ini meningkat lebih jauh, kerapatan fluks juga akan meningkat ke arah sebaliknya sampai inti feromagnetik mencapai saturasi lagi tetapi dalam arah sebaliknya dari sebelumnya. Mengurangi arus magnet, I sekali lagi ke nol akan menghasilkan jumlah yang sama dari magnet sisa tetapi dalam arah sebaliknya.
Kemudian dengan secara konstan mengubah arah arus magnetisasi melalui coil dari arah positif ke arah negatif, seperti halnya pada supply AC, loop Histerisis Magnet dari inti feromagnetik dapat diproduksi.
Loop Histerisis Magnet
Histerisis Magnetic loop di atas, menunjukkan perilaku inti feromagnetik grafis sebagai hubungan antara B dan H adalah non-linear. Dimulai dengan inti yang tidak termagnetisasi baik B dan H akan berada pada nol, titik 0 pada kurva magnetisasi.
Jika arus magnetisasi, i meningkat ke arah positif ke beberapa nilai, kekuatan medan magnet H meningkat secara linier dengan i dan kerapatan fluks B juga akan meningkat seperti yang ditunjukkan oleh kurva dari titik 0 ke titik a saat mengarah ke saturasi.
Sekarang jika arus magnetisasi pada coil dikurangi menjadi nol, medan magnet yang beredar di sekitar inti juga berkurang menjadi nol. Namun, fluks magnet kumparan tidak akan mencapai nol karena adanya sisa magnet dalam inti dan ini ditunjukkan pada kurva dari titik a ke titik b.
Untuk mengurangi kerapatan fluks pada titik b ke nol, kita perlu membalik arus yang mengalir melalui coil. Gaya magnetisasi yang harus diterapkan untuk membatalkan kerapatan fluks residual disebut "Gaya Koersif". Gaya koersif ini membalikkan medan magnet yang mengatur ulang magnet molekul hingga inti menjadi tidak termagnetisasi pada titik c.
Peningkatan arus balik ini menyebabkan inti bermagnetisasi ke arah yang berlawanan dan meningkatkan arus magnetis ini lebih lanjut akan menyebabkan inti mencapai titik jenuh tetapi pada arah yang berlawanan, titik d pada kurva.
Titik ini simetris ke titik b. Jika arus magnet dikurangi lagi menjadi nol, sisa magnet yang ada dalam inti akan sama dengan nilai sebelumnya tetapi sebaliknya pada titik e.
Sekali lagi membalikkan arus magnet yang mengalir melalui coil kali ini ke arah positif akan menyebabkan fluks magnet mencapai nol, titik f pada kurva dan seperti sebelum meningkatkan arus magnet lebih lanjut dalam arah positif akan menyebabkan inti mencapai saturasi pada titik a.
Kemudian kurva B-H mengikuti jalur a-b-c-d-e-f-a karena arus magnet yang mengalir melalui coil bergantian antara nilai positif dan negatif seperti siklus tegangan AC. Jalur ini disebut Loop Histerisis Magnet.
Efek Histerisis magnet menunjukkan bahwa proses magnetisasi inti feromagnetik dan karenanya kerapatan fluks bergantung pada bagian kurva mana inti feromagnetik termagnetisasi karena ini tergantung pada rangkaian sejarah masa lalu yang memberikan inti tersebut bentuk "memori".
Kemudian bahan feromagnetik memiliki memori karena mereka tetap termagnetisasi setelah medan magnet luar dihilangkan.
Kemudian bahan feromagnetik memiliki memori karena mereka tetap termagnetisasi setelah medan magnet luar dihilangkan.
Namun, bahan feromagnetik lunak seperti besi atau baja silikon memiliki loop Histerisis magnet yang sangat sempit yang menghasilkan jumlah kecil residu magnet yang membuatnya ideal untuk digunakan dalam relai, solenoida dan transformator karena dapat dengan mudah di-magnetisasi dan di-demagnetisasi.
Karena gaya koersif harus diterapkan untuk mengatasi magnet sisa ini, pekerjaan harus dilakukan dalam menutup loop Histerisis dengan energi yang digunakan dihamburkan sebagai panas dalam bahan magnet. Panas ini dikenal sebagai kerugian/loss Histerisis, jumlah kerugian tergantung pada nilai bahan gaya koersif.
Dengan menambahkan zat aditif ke logam besi seperti silikon, bahan dengan gaya koersif yang sangat kecil dapat dibuat yang memiliki loop Histerisis yang sangat sempit. Bahan dengan loop Histerisis yang sempit mudah termagnetisasi dan di-demagnetisasi dan dikenal sebagai bahan magnet lunak.
Loop Histerisis Magnet untuk Bahan Lunak dan Keras
Magnetic Histerisis menghasilkan pembuangan/disipasi energi terbuang dalam bentuk panas dengan energi yang terbuang sebanding dengan area loop Histerisis magnet.
Kerugian/loss Histerisis akan selalu menjadi masalah dalam transformator AC di mana arus terus berubah arah dan dengan demikian kutub magnet di inti akan menyebabkan kerugian karena mereka terus-menerus berbalik arah.
Rotasi kumparan dalam mesin DC juga akan menimbulkan kerugian Histerisis karena mereka secara bergantian melewati kutub utara selatan magnet.
Seperti yang dikatakan sebelumnya, bentuk loop Histerisis tergantung pada sifat besi atau baja yang digunakan dan dalam kasus besi yang mengalami pembalikan magnet yang masif, misalnya inti transformator, penting bahwa loop Histerisis B-H adalah sebagai sekecil mungkin.
Dalam tutorial berikutnya tentang Magnet, kita akan melihat Hukum Faraday tentang Induksi Elektromagnetik dan melihat bahwa dengan memindahkan konduktor kawat dalam medan magnet stasioner, dimungkinkan untuk menginduksi arus listrik dalam konduktor yang menghasilkan generator sederhana.