Ferromanyetik çekirdekte histerizis kayıpları
Elektrik makinalarında kullanılan ferromanyetik çekirdeklerde manyetik akı sonsuza kadar artmaz. Devreye uygulanan manyetomotor kuvvetin belirli bir değerinden sonra akı artışı durur. Bu noktadan sonra malzemenin doyduğu söylenir.
Malzemenin doyuma ulaşması, çekirdeğin parçacık yapısı ile ilgilidir. Ferromanyetik çekirdeği oluşturan manyetik parçacıklar (dipoller), çekirdeğe uygulanan değişken manyetik alanın her bir fazında bir önceki konumlarını korumak isterler. Bu davranış, histerizis kaybı olarak bilinen ve çekirdek üzerinde enerji kaybına neden olan doğal bir fenomendir.
Ferromanyetik parçacıkların davranışı
Ferromanyetik malzemeler olan demir, nikel, kobalt ve benzeri alaşımların içerisinde, dipol adı verilen manyetik bölgeler bulunur. Her bir dipolde tüm atomlar, kendi manyetik alanlarıyla aynı yönde sıralanırlar. Herhangi bir manyetik alana maruz kalmamış demir bir malzemede akının olmama sebebi, dipollerin gelişigüzel olarak dağılmış olması ve malzemenin manyetik olarak dengede olmasıdır. Böyle bir malzeme dağılımı, yandaki şekilde olduğu gibidir.
Eğer ferromanyetik çekirdeğe dışarıdan bir manyetik alan uygulanırsa, malzemedeki tüm atomlar manyetik alanla aynı yönde dizilirler. Manyetik alanla aynı yönde dizilen her bir atom, tüm malzemenin manyetik akısını arttırır. Bu çığ etkisi sayesinde daha fazla atom manyetik alanla aynı yönde doğru döner. Bu etki nedeniyle demirin manyetik geçirgenliği, havadan çok daha yüksektir.
Harici bir manyetik alana maruz kalmış ferromanyetik bir çekirdekte manyetik parçacıkların dizilimi soldaki şekildeki gibi olur. Harici manyetik alanın şiddeti artmaya devam ettikçe malzemedeki tüm parçacıklar aynı yöne doğru dizilmiş olacak ve artık akı artmayacaktır. Bu durumda malzeme artık doyuma ulaşmıştır.
Harici manyetik alan ortadan kaldırıldığında parçacıklar tekrar eski gelişigüzel konumlarını almazlar, bulundukları konumu muhafaza ederler. Bunun nedeni, farklı yönlerdeki dipollerin, manyetik alanla aynı yöne dönmeleri için enerjiye ihtiyaç duymalarıdır. Harici manyetik alan ortadan kaldırıldığında dipolleri döndürmek için gereken enerji kaynağı da ortadan kaldırılmış olur. Bu durumda demir artık kalıcı mıknatıs özelliği gösterir. Parçacıklar bir kez bir yönde dizildikten sonra; onların bir kısmı, ters yönde bir manyetik kuvvet, mekanik bir darbe veya ısı uygulanıncaya kadar yönlerini korurlar.
Histerizis kaybı
Ferromanyetik malzemelerdeki parçacıkların, belirli bir yöne dönmeleri için enerjiye ihtiyaç duymaları; transformatör ve diğer elektrik makinalarında histerizis kaybı adı verilen bir enerji kaybına neden olur. Histerizis kaybı, alternatif akımın her bir alternansında dipollerin tekrar dizilişini oluşturmak için gereken enerjidir. Alternatif akım makinalarında bu kayıp süreklidir ve bu kaybın değeri, kullanılan malzemeye bağlıdır. Bu kayıp, aşağıdaki formül ile ifade edilir:
Bu denklemde, kullanılan herhangi bir özel malzeme için k değeri sabittir. n üssü Steinmetz katsayısı olarak bilinir. Bu değer yüksek akı yoğunluklarında çalışan modern malzemeler için 1,6 ile 2,5 ve hatta daha yüksek değerlere kadar değişir. f, Hz cinsinden frekansı ve B ise maksimum manyetik akı yoğunluğunu gösterir.
