Ferromanyetik malzemelerin davranışı
Elektrik makineleri manyetik alanın dönüşümü esasına göre çalışırlar. Amper kanununa göre içinden akım geçen bir iletken etrafında bir manyetik alan oluşur. Eğer ferromanyetik bir çekirdeğin bir bacağına N defa sarılmış bir sargıdan akım geçirirsek, iletkende oluşan manyetik alan etkisiyle çekirdek üzerinde bir manyetik akı oluşur. Elektrik makinelerinde çekirdek olarak ferromanyetik malzemelerin (demir, nikel, kobalt) kullanılmasının sebebi, bu malzemelerin manyetik geçirgenliğinin boşluğunkinden yaklaşık 6000 kat daha fazla olmasıdır. Manyetik geçirgenliğin fazla olması, birim yüzey alanından daha fazla akı geçmesi yani manyetik akı yoğunluğunun daha yüksek olması demektir.
Uygulamada boşluğun (ya da havanın) geçirgenliği sabit olmasına rağmen demir ve diğer ferromanyetik malzemelerin geçirgenliği sabit değildir. Demir bir çekirdeğin bacağına sarılmış sargıya, akım miktarı sıfırdan başlayacak şekilde arttırılarak gerilim verilirse demir çekirdeğin manyetik akı ve manyetomotor kuvvet değişimi aşağıdaki gibi olur:
Bu grafiğe çekirdeğin doyma eğrisi veya mıknatıslanma eğrisi denir. Sargıya akım verildiğinde aşağıdaki bağıntıya göre manyetomotor kuvvet de artış gösterir:
Başlangıçta manyetomotor kuvvetteki küçük bir artış, manyetik akıda büyük bir artışa neden olur. Ancak belirli bir noktadan sonra manyetomotor kuvvetteki artışa karşılık akı aynı derecede artmaz. Eğrinin yassılaştığı bu noktaya doymuş bölge denir. Doyma bölgesinin öncesindeki, akının çok hızlı arttığı bölgeye ise doymamış bölge adı verilir.
Yukarıdaki grafik ile aynı olacak şekilde malzemelerin B-H eğrisinden söz edilir. Amper kanununa göre bir çekirdekteki manyetik alan şiddeti:
ile verilir. Bu durumda demir çekirdeğin bacağına sarılmış sargıya akım verdiğimizde çekirdeğin manyetomotor kuvveti (Ғ) ve dolayısıyla manyetik alan şiddeti (H) artacaktır. Aynı şekilde, manyetik alan yoğunluğu ve manyetik akı arasında aşağıdaki ilişki vardır:
Bu durumda çekirdekte akı arttığında manyetik alan yoğunluğu da artacaktır. Böylece bir ferromanyetik çekirdeğin B-H eğrisi aşağıdaki şekilde çizilebilir:
Yukarıdaki grafikte çelik, demir ve havanın (veya boşluğun) mıknatıslanma eğrileri verilmiştir. Uygulamada generatör ve motorların gerilim ve moment üretimi manyetik akıya bağlı olduğundan bu makineler mümkün olduğunca çok akı üretecek şekilde tasarlanırlar. Sonuç olarak gerçek makinelerin çoğu, B-H eğrisinin doymamış bölgesinde ve dirsek bölgesine yakın olarak çalışır. Çekirdekteki akı ve akıyı oluşturan manyetomotor kuvvet arasındaki ilişki doğrusal değildir. Doğrusal olmayışının sebebi, ferromanyetik malzemelerin atomik boyutlardaki davranışı ile ilgilidir.
