Hysteresis loss, hay còn được gọi là tổn hao trễ từ do vòng lặp từ hóa, là một hiện tượng quan trọng trong vật liệu từ được sử dụng trong máy biến áp và các thiết bị điện khác. Khi áp dụng một hiệu điện thế qua cuộn dây của máy biến áp, dòng điện chảy qua cuộn dây tạo ra một từ trường.
Vật liệu từ trong máy biến áp, chứa các miền từ tính giống như các “nam châm nhỏ”, sẽ sắp xếp lại theo từ trường này, từ đó tăng cường từ trường đó. Khi tất cả các “nam châm nhỏ” này đã sắp xếp xong, việc tăng từ trường thêm nữa đòi hỏi phải tăng dòng điện một cách đáng kể.
Nếu hiệu điện thế được áp dụng theo hướng ngược lại, dòng điện sẽ giảm dần, cũng như tỷ lệ các “nam châm nhỏ” được sắp xếp theo cùng một hướng. Tuy nhiên, ngay cả khi dòng điện giảm xuống còn không, vẫn còn tồn tại một từ trường do một số “nam châm nhỏ” vẫn duy trì sự sắp xếp theo hướng ban đầu. Điều này tạo ra một lực hút giữa hai nửa của vật liệu từ.
Quá trình này cho thấy vật liệu từ giữ lại một “ký ức” về dòng điện đã chảy qua cuộn dây, gây ra tổn hao hysteresis. Khi đảo ngược dòng điện (do tính chất hình Sin), vật liệu từ phải “đảo ngược” sự sắp xếp của các “nam châm nhỏ” của nó, tiêu tốn năng lượng trong quá trình này. Phần năng lượng này bị mất dưới dạng nhiệt khi các “nam châm nhỏ” đảo ngược lại và lại theo chu kỳ của dòng điện. Điều này giải thích vì sao vật liệu từ với tỷ lệ cao các “nam châm nhỏ” vẫn sắp xếp khi dòng điện bằng không sẽ tiêu tốn nhiều năng lượng hơn, dưới dạng nhiệt.
Tổn hao hysteresis được thể hiện qua việc cung cấp và thu hồi năng lượng từ mạch điện. Khi năng lượng được cung cấp từ mạch, một phần được lưu trữ trong từ trường và một phần mất dưới dạng nhiệt do sự lật qua lật lại của các “nam châm nhỏ”.
Khi dòng điện giảm, năng lượng từ từ trường phần nào được trả lại cho mạch, nhưng tổng năng lượng mất dưới dạng nhiệt là lớn hơn so với năng lượng được trả lại. Điều này dẫn đến tổn hao hysteresis, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất của máy biến áp và các thiết bị sử dụng vật liệu từ.
Ph = k x f x Bmax Watts/kg
Trong đó:
k: hằng số không đổi
f: Tần số
Bmax: Mật độ từ thông lớn nhất
Tổn hao hysteresis có thể được minh họa qua đồ thị, với diện tích của vòng lặp từ hóa biểu diễn lượng năng lượng bị mất trong mỗi chu kỳ (màu cam). Việc giảm thiểu tổn hao hysteresis là một yếu tố quan trọng trong thiết kế và lựa chọn vật liệu cho máy biến áp và các thiết bị điện. Các vật liệu từ được chọn cần có khả năng giảm thiểu tổn hao hysteresis, qua đó giảm lượng năng lượng bị mất dưới dạng nhiệt và tăng hiệu quả hoạt động của thiết bị.
Các nhà khoa học và kỹ sư đã phát triển các loại vật liệu từ với hysteresis loop rất hẹp, tức là với diện tích vòng lặp từ hóa nhỏ, để giảm thiểu tổn hao hysteresis. Vật liệu có đặc tính này thường có khả năng từ hóa và khử từ dễ dàng, giảm lượng năng lượng cần thiết để đảo ngược sự sắp xếp của các “nam châm nhỏ” và do đó, giảm tổn hao năng lượng.
Trong ứng dụng thực tế, giảm tổn hao hysteresis không chỉ giúp tăng hiệu suất năng lượng mà còn giảm nhiệt độ hoạt động của thiết bị, kéo dài tuổi thọ và giảm chi phí bảo trì. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các hệ thống điện lớn và các thiết bị điện tử công suất cao, nơi mà tổn hao năng lượng có thể dẫn đến sự cố hệ thống và tăng chi phí vận hành.
Tổn hao hysteresis là một phần không thể tránh khỏi trong mọi thiết bị điện sử dụng vật liệu từ, nhưng thông qua việc thiết kế thông minh và lựa chọn vật liệu phù hợp, có thể giảm thiểu đáng kể tác động tiêu cực của nó lên hiệu suất và chi phí hoạt động. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển vật liệu mới với tổn hao hysteresis thấp là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ điện và vật liệu học, hướng đến việc tạo ra các thiết bị điện hiệu quả và bền vững hơn cho tương lai.