【基礎から学ぶ磁力】 ヒステリシス特性

電気電子
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基本的に”イメージ”を意識した内容となっておりますので、基礎知識の無い方への入門向きです。
じっくり学んでいきましょう!

今回は、「ヒステリシス特性」についての説明です。

磁性体

物体が磁界中で磁化される(磁石のようになる)性質を磁性、磁化される物質そのものを磁性体と呼びます。
あらゆる物質は少なからず磁性を持つ為、一般的には磁性体と言ったら強磁性体を指していることが多いようです。
強磁性体とは、磁界中でなくても自発的に磁化している物質のことで、鉄などが該当します。

全ての物質は原子から成ります。
なので、磁性体も原子や分子で構成されています。
磁性体は磁化すると磁気分子が同じ方向を向いて並ぶというように考えます。

磁化特性

透磁率μ[H/m]はB=μHという関係から一定であるものとして扱っていましたが、強磁性体の場合は磁界の強さH[A/m]により透磁率μ[H/m]が変化する為、磁界の強さH[A/m]と磁束密度B[T]は比例しません。

強磁性体の磁界の強さH[A/m]の変化に対する磁束密度B[T]の変化を見ていきます。

磁化されていない強磁性体があるとします。
この時、磁界の強さH[A/m]及び磁束密度B[T]は互いに0点にあります。
ここから強磁性体に磁界を加えて徐々に大きくしていくと、磁束密度は図1のように変化します。

図1

このような磁界の強さH[A/m]に対する磁束密度B[T]の変化を表したグラフを磁化曲線またはB-H曲線(BHカーブ)と呼び、この特性を磁化特性と呼びます。

磁化曲線は、一定値まで磁界の強さH[A/m]が大きくなると磁束密度B[T]が増加しなくなります(つまり飽和します)。
このことを磁気飽和と言います。

ヒステリシス特性

磁性体も原子や分子で構成されていて、磁気分子間には摩擦が働きます
磁気分子間に摩擦が働く為、磁化の状態を維持しようとします。
磁化された強磁性体は磁化状態を保とうとし、磁化されていない強磁性体は磁化が進みづらくなるといった具合です
その為、磁性体は磁化の仕方によって特性が変化します。
この特性のことをヒステリシス特性と呼びます。

図2

図2はヒステリシス特性の例です。
このような曲線をヒステリシス曲線もしくはヒステリシスループと呼びます。

強磁性体を一度磁化すると磁化状態を維持しようとする為、b点のように外部磁界が0に戻っても磁束が残っていたり、c点のように磁界が加わっているのに磁束が0になっているという状態が発生します。

b点のように外部磁界が飽和状態(a点)から0に戻った時の磁束密度を残留磁束密度と呼びます。
量記号はBrで、残留磁気とも呼びます。
BrのrはResidual(残留)かな?

c点のように一度磁化した強磁性体の磁束密度を0に戻すために必要なマイナス方向の外部磁界を保磁力と呼びます。
量記号はHcです。
HcのcはCoercive Force(保磁力)かな??

ちなみに、BrとHcの大きさによって以下のように何の材料に適しているかが分かれます。

  • Brが大きく、Hcが小さい強磁性体は電磁石に適しています。
    電磁石:電流が流れている時に磁石になる物体。
  • Brが大きく、Hcも大きい強磁性体は永久磁石に適しています。
    永久磁石:外部磁界や電流の供給無しでも磁石としての性質を長期間持つ物体。

大学でアルニコを使ってヒステリシス曲線を描かせる実習をやった覚えがあるけど、もう記憶が曖昧だなぁ・・・。

ヒステリシス損

ヒステリシス曲線を描く時にはエネルギーの損失が発生します。
単位体積(1m3)当たりのエネルギーWh[J/m3]はヒステリシス曲線に囲まれた面積に等しくなります
1秒間にf回変化する(ヒステリシス曲線を描く)時の損失をヒステリシス損と言います。
量記号はPhで、単位は[W/m3]です。
ちなみに、ヒステリシス損は磁気分子の摩擦が原因で発生しています。

以上、ヒステリシス特性についての説明でした。


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