Магнитный гистерезис возникает, когда внешнее магнитное поле прикладывается к ферромагнетику, такому как железо, и атомные диполи выравниваются с ним. Даже когда поле убирается, часть выравнивания сохраняется: материал намагничивается . После намагничивания магнит будет оставаться намагниченным бесконечно. Для его размагничивания требуется тепло или магнитное поле в противоположном направлении. Это тот эффект, который обеспечивает элемент памяти на жестком диске .
Связь между напряженностью поля H и намагниченностью M в таких материалах не является линейной. Если магнит размагничен ( H = M = 0 ) и соотношение между H и M построено для возрастающих уровней напряженности поля, M следует кривой начального намагничивания . Эта кривая сначала быстро растет, а затем приближается к асимптоте, называемой магнитным насыщением . Если магнитное поле теперь монотонно уменьшается, M следует другой кривой. При нулевой напряженности поля намагниченность смещается от начала координат на величину, называемую остаточной намагниченностью . Если соотношение HM построено для всех значений приложенного магнитного поля, результатом будет петля гистерезиса, называемая основной петлей . Ширина средней секции по оси H вдвое превышает коэрцитивную силу материала. [1] ( Глава 1 )
Более пристальный взгляд на кривую намагничивания обычно выявляет серию небольших случайных скачков намагниченности, называемых скачками Баркгаузена . Этот эффект обусловлен кристаллографическими дефектами, такими как дислокации . [1] ( Глава 15 )
Петли магнитного гистерезиса не ограничиваются материалами с ферромагнитным упорядочением. Другие магнитные упорядочения, такие как упорядочение спинового стекла , также демонстрируют это явление. [2]
Физическое происхождение
Явление гистерезиса в ферромагнитных материалах является результатом двух эффектов: вращения намагниченности и изменения размера или количества магнитных доменов . Как правило, намагниченность изменяется (по направлению, но не по величине) через магнит, но в достаточно маленьких магнитах это не так. В этих однодоменных магнитах намагниченность реагирует на магнитное поле вращением. Однодоменные магниты используются везде, где требуется сильная стабильная намагниченность (например, магнитная запись ).
Большие магниты делятся на области, называемые доменами . Внутри каждого домена намагниченность не меняется; но между доменами находятся относительно тонкие доменные стенки, в которых направление намагниченности поворачивается от направления одного домена к другому. При изменении магнитного поля стенки перемещаются, изменяя относительные размеры доменов. Поскольку домены не намагничены в одном направлении, магнитный момент на единицу объема меньше, чем в однодоменном магните; но доменные стенки включают вращение лишь небольшой части намагниченности, поэтому изменить магнитный момент намного проще. Намагниченность также может изменяться путем добавления или вычитания доменов (так называемое зарождение и денуклеация ).
Измерение
Магнитный гистерезис можно охарактеризовать по-разному. Как правило, магнитный материал помещается в изменяющееся приложенное поле H , индуцируемое электромагнитом, и результирующая плотность магнитного потока ( поле B ) измеряется, как правило, с помощью индуктивной электродвижущей силы, приложенной к измерительной катушке рядом с образцом. Это дает характеристическую кривую B - H ; поскольку гистерезиса указывает на эффект памяти магнитного материала, форма B - H кривой зависит от истории изменений в H .
В качестве альтернативы, гистерезис может быть изображен как намагниченность M вместо B , что дает кривую M - H. Эти две кривые напрямую связаны, поскольку.
Измерение может быть замкнутым или разомкнутым , в зависимости от того, как магнитный материал помещен в магнитную цепь .
- В методах измерения разомкнутой цепи (таких как магнитометр с вибрирующим образцом ) образец подвешивают в свободном пространстве между двумя полюсами электромагнита. Из - за этого, размагничивание поля разрабатывает и Н поле внутреннего по отношению к магнитному материалу, отличается от приложенного H . Нормальную кривую BH можно получить после коррекции размагничивающего эффекта.
- При измерениях в замкнутой цепи (таких как гистерезисграф) плоские поверхности образца прижимаются непосредственно к полюсам электромагнита. Поскольку полюсные поверхности очень проницаемы, это устраняет размагничивающее поле, и поэтому внутреннее поле H равно приложенному полю H.
В случае магнитотвердых материалов (таких как спеченные неодимовые магниты ) подробный микроскопический процесс перемагничивания зависит от того, находится ли магнит в разомкнутой или замкнутой конфигурации, поскольку магнитная среда вокруг магнита влияет на взаимодействия между доменами в способ, который не может быть полностью уловлен простым коэффициентом размагничивания. [3]
Модели
Наиболее известными эмпирическими моделями гистерезиса являются модели Прейзаха и Джайлса-Атертона . Эти модели позволяют точно моделировать петлю гистерезиса и широко используются в промышленности.
Однако эти модели теряют связь с термодинамикой, и согласованность энергий не обеспечивается. Более поздней моделью, имеющей более последовательную термодинамическую основу, является модель векторного инкрементального неконсервативного последовательного гистерезиса (VINCH) Лавета и др. (2011). навеяно кинематическое твердение законами и термодинамики в необратимых процессах . [4] В частности, помимо обеспечения точного моделирования, хранимая магнитная энергия и рассеиваемая энергия известны всегда. Полученная инкрементальная формулировка является вариационно согласованной, т. Е. Все внутренние переменные вытекают из минимизации термодинамического потенциала. Это позволяет легко получить векторную модель, в то время как Прейзач и Джилс-Атертон являются фундаментально скалярными моделями.
Модель Стонера – Вольфарта - это физическая модель, объясняющая гистерезис с точки зрения анизотропного отклика («легкие» / «жесткие» оси каждого кристаллического зерна).
Моделирование микромагнетизма пытается уловить и подробно объяснить пространственные и временные аспекты взаимодействующих магнитных доменов, часто на основе уравнения Ландау-Лифшица-Гильберта .
Игрушечные модели, такие как модель Изинга, могут помочь объяснить качественные и термодинамические аспекты гистерезиса (например, фазовый переход точки Кюри в парамагнитное поведение), хотя они не используются для описания реальных магнитов.
Приложения
Существует множество приложений теории гистерезиса в магнитных материалах. Многие из них используют свою способность сохранять память, например магнитную ленту , жесткие диски и кредитные карты . В этих приложениях желательны жесткие магниты (с высокой коэрцитивной силой), такие как железо , чтобы память не стиралась.
Мягкие магниты (с низкой коэрцитивной силой) используются в качестве сердечников в трансформаторах и электромагнитах . Реакция магнитного момента на магнитное поле усиливает реакцию обмотанной вокруг него катушки. Низкая коэрцитивная сила снижает потери энергии, связанные с гистерезисом.
Магнитный гистерезисный материал (мягкие никель-железные стержни) использовался для гашения углового движения спутников на низкой околоземной орбите с самого начала космической эры. [5]
Смотрите также
- Размагничивание
Рекомендации
- ^ a b Chikazumi, Sōshin (1997). Физика ферромагнетизма (2-е изд.). Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN 9780191569852.
- ^ Monod, P .; Prejean, JJ; Тиссье, Б. (1979). «Магнитный гистерезис CuMn в состоянии спинового стекла». J. Appl. Phys . 50 (B11): 7324. Bibcode : 1979JAP .... 50.7324M . DOI : 10.1063 / 1.326943 .
- ^ Fliegans, J .; Tosoni, O .; Демпси, Нью-Мексико; Делетт, Г. (2020). «Моделирование процессов размагничивания в постоянных магнитах, измеряемых в замкнутой геометрии» (PDF) . Письма по прикладной физике . 116 (6): 062405. DOI : 10,1063 / 1,5134561 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Винсент Франсуа-Лавет и др. (2011-11-14). Векторная модель инкрементального неконсервативного согласованного гистерезиса .
- ^ «Магнитное гистерезисное демпфирование движения спутников» (PDF) . Департамент космических аппаратов General Electric . Проверено 1 октября +2016 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )