『ヒステリシス曲線(B-H曲線)』とは?分かりやすく説明します!

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この記事では『ヒステリシス曲線(B-H曲線)』について

  • 『ヒステリシス曲線(B-H曲線)』とは?
  • 『ヒステリシス曲線(B-H曲線)』の各径路

などを図を用いて分かりやすく説明するように心掛けています。ご参考になれば幸いです。

『ヒステリシス曲線』とは?

『ヒステリシス曲線』とは?

コイル(インダクタ)は、鉄・フェライト・コバルトなどの磁性体(コア)に巻線を巻くことで構成されています。コイル(インダクタ)に流す電流\(I{\mathrm{[A]}}\)と磁界の強さ\(H{\mathrm{[A/m]}}\)には比例関係があるため、コイル(インダクタ)に流す電流\(I\)を大きくすると、磁界の強さ\(H\)が大きくなります。

すなわち、コイル(インダクタ)に電流\(I\)を流すと磁界(磁場)\(H\)が発生します。この磁界\(H\)によって、磁性体は磁化を帯びます(磁化されます)。この時、単位面積当たりのN極からS極へ向かう磁界の流れを磁束密度\(B{\mathrm{[T]}}\)といい、磁石の強さを表します。

ヒステリシス曲線とは、磁束密度\(B\)と磁界の強さ\(H\)の関係を示す曲線(B-H曲線)のことを指します。

磁束密度\(B\)と磁界の強さ\(H\)は透磁率\({\mu}\)を用いると、以下の式で表すことができます。

\begin{eqnarray}
B={\mu}H
\end{eqnarray}

つまり、電流\(I\)が大きくなる(磁界の強さ\(H\)が大きくなる)と、磁束密度\(B\)も大きくなります。また、透磁率\({\mu}\)が大きいほど弱い磁界\(H\)でも大きい磁束密度\(B\)を得ることができます。

しかし、実際には、透磁率\({\mu}\)は必ずしも一定の値ではなく、磁界の強さ\(H\)によって変化します。また、磁界\(H\)を大きくした後、0に戻しても、磁化された磁性体には磁力が残ります。そのため、磁束密度\(B\)と磁界の強さ\(H\)の関係は直線ではなく、上図に示すような曲線(ヒステリシス曲線)となります。

これからヒステリシス曲線の各径路について詳しく説明します。

O→Aの経路

磁性体が磁化しておらず、加えられている磁界\(H\)もない状態では、磁束密度\(B\)はゼロなので、原点Oの位置にヒステリシス曲線があります。この状態において、磁性体に磁界\(H\)を印可すると、磁性体が磁化するため、磁束密度\(B\)が増加します。また、磁界\(H\)を強くすると、磁束密度\(B\)の変化は徐々に緩やかになり、ある点で増加しなくなります。

このA点における磁束密度\(B\)を飽和磁束密度\(B_S\)(または最大磁束密度\(B_M\))といいます。飽和磁束密度\(B_S\)が大きいほど強力な磁石となります。

飽和磁束密度\(B_S\)に関しては別途以下の記事で詳しく説明していますのでご参考になれば幸いです。

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A→Bの経路

A点から、磁性体に印可する磁界\(H\)を減少させてゼロにしていきます。この時、元の経路(O→Aの経路)を通らず、磁束密度\(B\)はB点に向かって移動します。B点では印可している磁界\(H\)はゼロですが、磁性体には磁束密度\(B\)が残っているため、磁性体はまだ磁化されていることになります。このB点における磁束密度\(B\)を残留磁束密度(または残留磁気)\(B_r\)といいます。

B→Cの経路

磁性体が磁化された状態を無くすために、今までとは逆向きの磁界\(H\)を印可します。磁束密度\(B\)がゼロになった点(C点)における磁界の強さ\(H\)を保磁力\(H_C\)といいます。

残留磁束密度\(B_r\)と保磁力\(H_C\)に関しては別途以下の記事で詳しく説明していますのでご参考になれば幸いです。

『残留磁束密度(残留磁化)』と『保持力』とは?分かりやすく説明します!
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C→D→E→Fの経路

逆向きの磁界\(H\)を強くした場合も同様の経路となります。ここで注目してほしいのは、また、磁束密度\(B\)が原点Oに戻らないこと、磁界\(H\)の向きが変わっても飽和磁束密度\(B_S\)、残留磁束密度\(B_r\)、保磁力\(H_C\)の大きさが同じということです。

また、このヒステリシス曲線で囲まれたループの面積がヒステリシス損失となります。ヒステリシス損失については以下の記事に詳しく説明していますのでご参考になれば幸いです。

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補足

  • ヒステリシス曲線はB-Hカーブ、磁化曲線、磁気ヒステリシス曲線、ヒステリシス環線とも呼ばれています。
  • 物質の内部の磁気モーメント\(J\)と磁界\(H\)の関係もヒステリシス曲線と呼ばれていますが、一般的には、ヒステリシス曲線はJ-H曲線ではなく、B-H曲線で表します。
  • 残留磁束密度\(B_r\)が大きくて、保磁力\(H_C\)が小さい磁性体(軟磁性材料・ソフト磁性材料)が電磁石に適しています。
  • →保持力\(H_C\)が大きい場合、電流を遮断しても、磁力が残ってしまい、それを打ち消すためには(元に戻すためには)、余計に電流を流す必要があります。そのため、電磁石等の磁束を電流で制御する用途の場合には、保持力\(H_C\)が小さい磁性体が適しています。

  • 軟磁性材料はトランスのコアに使用されています。
  • 保磁力\(H_C\)が大きい磁性体(硬磁性材料・ハード磁性材料)は、外部の磁界の影響を受けても磁化された状態を維持するため、永久磁石に適しています。また、残留磁束密度\(B_r\)が大きいほど、永久磁石としては強い磁石となります。

まとめ

この記事では『ヒステリシス曲線(B-H曲線)』について、以下の内容を説明しました。

  • 『ヒステリシス曲線(B-H曲線)』とは?
  • 『ヒステリシス曲線(B-H曲線)』の各径路

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