Wat is Domeinen en hysterese? — Natuurkunde

Definitie 22.8 Universitaire natuurkunde — jaar 3 · Hoofdstuk 22 — Elektromagnetisme in materie

Een ruwe klomp ijzer is niet gemagnetiseerd: hij valt uiteen in domeinen, gebieden op micronschaal die elk volledig gemagnetiseerd zijn maar verschillend gericht, zodat het uitwendige veld (en de energieprijs ervan) vrijwel wegvalt. Een aangelegde $\vect H$ verplaatst de domeinwanden — de gunstige domeinen groeien — en draait daarna hele domeinen op één lijn. Wanden blijven aan defecten haken, zodat het proces onomkeerbaar is: laat $H$ op en neer gaan en $B(H)$ tekent een lus, de hysteresecyclus. Schakel de stroom uit en er blijft een remanent veld $B_{\text{r}}$ over; het opheffen ervan vergt het tegengestelde coërcitieve veld $H_{\text{c}}$ . Het door de lus omsloten oppervlak is de energie die per cyclus en per volume-eenheid wordt gedissipeerd. Zachte materialen (siliciumstaal, ferrieten: dunne lus, kleine $H_{\text{c}}$ ) leveren de kernen van transformatoren en motoren; harde (alnico, Nd $_2$ Fe $_{14}$ B: dikke lus, enorme $H_{\text{c}}$ ) leveren permanente magneten — en magnetisch geheugen: de koelkastmagneet en de harde schijf zijn hysteresekrommen die weigeren te vergeten.

Domeinen. Links: een maagdelijke ferromagneet verbergt zijn magnetisatie in gebieden die elkaar opheffen. Rechts: het aangelegde veld laat ze groeien en draait ze tot één gemagnetiseerd blok — via onomkeerbare wandsprongen die ijzer zijn geheugen geven.

De hysteresecyclus. Vanuit de maagdelijke toestand (gestreept) drijft het veld B naar verzadiging; H naar nul terugbrengen laat de remanentie B_ r achter, en alleen het coërcitieve veld -H_ c wist haar uit. Lusoppervlak = warmte per cyclus per volume-eenheid: dunne lussen voor transformatoren, dikke lussen voor permanente magneten. — De hysteresecyclus. Vanuit de maagdelijke toestand (gestreept) drijft het veld $B$ naar verzadiging; $H$ naar nul terugbrengen laat de remanentie $B_{\text{r}}$ achter, en alleen het coërcitieve veld $-H_{\text{c}}$ wist haar uit. Lusoppervlak = warmte per cyclus per volume-eenheid: dunne lussen voor transformatoren, dikke lussen voor permanente magneten.

Voorbeelden

Voorbeeld 22.9 (De elektromagneet met ijzeren kern)

Wikkel $N$ windingen die $I$ voeren om een ijzeren ring ( $\mu_{\text{r}} \sim 5000$ ) met een kleine luchtspleet $e$ . De wet van Ampère voor $\vect H$ rond de lus: $H_{\text{ijzer}}\ell + H_{\text{spleet}}e = NI$ , en de continuïteit van de flux maakt $B$ gemeenschappelijk, dus

B\Big(\frac{\ell}{\mu_0\mu_{\text{r}}} + \frac{e}{\mu_0}\Big) = NI .

Met $\ell = 1\,\mathrm{m}$ en $e = 1\,\mathrm{cm}$ is de spleetterm vijftig keer de ijzerterm: bijna alle moeite van de spoel gaat op aan het veld door één centimeter lucht duwen. Dat is het magnetische circuit in één regel — ijzer is een bijna perfecte geleider van flux, lucht de weerstand — en daarom houden motoren, relais en schroothijsers hun luchtspleten meedogenloos dun (Probleem 22.1).

Lees in het hoofdstuk →