Перейти к содержанию

Коэрцитивная сила и петля гистерезиса

Если намагнитить гвоздь катушкой и выключить ток, он немного останется магнитом. Чтобы индукция в нём стала нулевой, нужно приложить обратное поле. Его величина — коэрцитивная сила, и от неё зависит, сколько энергии сердечник теряет на каждом цикле переменного тока.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Коэрцитивная сила Hc — напряжённость магнитного поля, которую надо приложить к намагниченному материалу в обратном направлении, чтобы его индукция стала равной нулю. Это не размагничивание: при H = −Hc индукция равна нулю только пока поле приложено, после снятия поля она нулевой не останется — материал не возвращается в исходное ненамагниченное состояние (наш комментарий по форме петли). Вместе с остаточной индукцией Br — индукцией, которая остаётся после снятия поля, — она задаёт форму петли гистерезиса: зависимости индукции B от напряжённости H при перемагничивании.

Петля гистерезиса

Индукция в ферромагнетике отстаёт от намагничивающей силы (Kuphaldt, гл. 13.1.1). Если намагнитить сердечник и убрать ток, остаётся Br; переменный ток должен сначала преодолеть её обратным полем −Hc, и только потом сердечник намагнитится в другую сторону. На графике B–H получается замкнутая кривая с точками ±Br на оси B и ±Hc на оси H.

За каждый оборот по петле материал теряет энергию, пропорциональную её площади. Отсюда часть потерь в сердечнике — потери на гистерезис, растущие с частотой.

Мягкие и твёрдые материалы

МатериалКоэрцитивная силаГде применяют
Феррит TDK N8721 А/м при 25 °C, 13 А/м при 100 °Cтрансформаторы и дроссели импульсных источников
Кремнистая текстурованная сталь (4 % Si)малая, петля узкая (Kuphaldt)сетевые трансформаторы и двигатели
«Твёрдая» высокоуглеродистая стальбольше, петля шире, потери выше (Kuphaldt)для сердечников не годится

Материалы сердечников — магнитомягкие: узкая петля, малые Hc и потери. Материалы с широкой петлёй, наоборот, хорошо держат намагниченность — по нашему комментарию, это свойство нужно постоянным магнитам, а сердечнику переменного тока оно только добавляет потери. Насыщение — верхняя граница петли — описано в терминах магнитная индукция и ток насыщения, выбор материала — в статье «Магнитные сердечники».

Остаточная индукция и включение трансформатора

Сердечник, оставшийся намагниченным после выключения, при следующем включении может насытиться сильнее обычного, и пусковой ток окажется больше (Kuphaldt, гл. 9.8). Выше точки Кюри ферромагнетик теряет и намагниченность, и петлю гистерезиса.

Не путать

С гистерезисом компаратора и триггера Шмитта — это разница порогов переключения по напряжению, см. гистерезис. Слово то же, явление другое.

Частые вопросы

Что такое коэрцитивная сила простыми словами?

Это напряжённость обратного поля, которую нужно приложить к намагниченному материалу, чтобы его индукция упала до нуля, — пока это поле приложено; размагниченным материал от этого не становится. У материалов для сердечников она мала: у феррита TDK N87 — 21 А/м при 25 °C.

Как петля гистерезиса связана с потерями?

За каждый цикл перемагничивания материал теряет энергию, пропорциональную площади петли B–H (Kuphaldt, гл. 13.1.1). Чем меньше коэрцитивная сила, тем уже петля и тем меньше потери на гистерезис. Мощность этих потерь растёт с частотой, потому что за секунду циклов больше.

Почему остаточная индукция важна для трансформатора?

После выключения в сердечнике может остаться намагниченность. При следующем включении поток стартует не с нуля, и сердечник насыщается сильнее — бросок тока может оказаться больше обычного (Kuphaldt, гл. 9.8).

Источники

  1. Kuphaldt T. R. Lessons In Electric Circuits, Volume II — AC, 6th edition, chapter 13.1.1 «Hysteresis and Eddy Current» (CC BY) — гистерезис — отставание индукции от намагничивающей силы; остаточная намагниченность Br; коэрцитивная сила −Hc, которую надо преодолеть, чтобы вернуть сердечник к нулю; потери пропорциональны площади петли B–H; «мягкие» сплавы теряют меньше «твёрдых» высокоуглеродистых сталей; кремнистая текстурованная сталь с 4 % кремния — ещё меньше; рис. 13.5
  2. TDK Electronics. SIFERRIT material N87, June 2025 — с. 2: коэрцитивная сила Hc 21 А/м при 25 °C и 13 А/м при 100 °C (10 кГц); BS 490 и 390 мТ
  3. Kuphaldt T. R. Lessons In Electric Circuits, Volume II — AC, 6th edition, chapter 9.8 «Practical considerations» (CC BY) — остаточная намагниченность сердечника при включении трансформатора может усилить бросок тока

Нашли ошибку?

Смотрите также