Histereza magnetyczna
Histereza magnetyczna występuje, gdy zewnętrzne pole magnetyczne jest przykładane do ferromagnesu , takiego jak żelazo , i dipole atomowe ustawiają się w jednej linii z nim. Nawet po usunięciu pola część wyrównania zostanie zachowana: materiał został namagnesowany . Po namagnesowaniu magnes pozostanie namagnesowany w nieskończoność. Aby rozmagnesować , potrzebne jest ciepło lub pole magnetyczne o przeciwnym kierunku. Jest to efekt, który zapewnia element pamięci w dysku twardym .
W takich materiałach zależność między natężeniem pola H a namagnesowaniem M nie jest liniowa. Jeśli magnes jest rozmagnesowany ( H = M = 0 ) i wykreślono zależność między H i M dla rosnących poziomów natężenia pola, M podąża za początkową krzywą namagnesowania . Krzywa ta początkowo szybko rośnie, a następnie zbliża się do asymptoty zwanej nasyceniem magnetycznym . Jeśli pole magnetyczne jest teraz redukowane monotonicznie, M podąża inną krzywą. Przy zerowym natężeniu pola namagnesowanie jest przesunięte względem początku o wartość zwaną remanencją . Jeśli H - M zostanie wykreślona dla wszystkich natężeń przyłożonego pola magnetycznego, wynikiem jest pętla histerezy zwana pętlą główną . Szerokość środkowej sekcji wzdłuż osi H jest dwukrotnie większa od koercji materiału.
Bliższe przyjrzenie się krzywej namagnesowania generalnie ujawnia serię małych, przypadkowych skoków namagnesowania, zwanych skokami Barkhausena . Efekt ten jest spowodowany defektami krystalograficznymi , takimi jak dyslokacje .
Pętle histerezy magnetycznej nie dotyczą wyłącznie materiałów z uporządkowaniem ferromagnetycznym. Inne uporządkowania magnetyczne, takie jak uporządkowanie szkła wirowego , również wykazują to zjawisko.
Pochodzenie fizyczne
Zjawisko histerezy w materiałach ferromagnetycznych jest wynikiem dwóch efektów: rotacji namagnesowania oraz zmian wielkości lub liczby domen magnetycznych . Ogólnie rzecz biorąc, namagnesowanie zmienia się (w kierunku, ale nie w wielkości) na magnesie, ale w wystarczająco małych magnesach tak nie jest. W tych jednodomenowych namagnesowanie reaguje na pole magnetyczne poprzez obrót. Magnesy jednodomenowe znajdują zastosowanie wszędzie tam, gdzie potrzebne jest silne, stabilne namagnesowanie (np. zapis magnetyczny ).
Większe magnesy są podzielone na regiony zwane domenami . W każdej domenie namagnesowanie nie zmienia się; ale między domenami są stosunkowo cienkie ściany domen , w których kierunek namagnesowania obraca się z kierunku jednej domeny do drugiej. Jeśli zmienia się pole magnetyczne, ściany poruszają się, zmieniając względne rozmiary domen. Ponieważ domeny nie są namagnesowane w tym samym kierunku, moment magnetyczny na jednostkę objętości jest mniejsza niż w przypadku magnesu jednodomenowego; ale ściany domen obejmują obrót tylko niewielkiej części namagnesowania, więc znacznie łatwiej jest zmienić moment magnetyczny. Namagnesowanie może się również zmieniać poprzez dodawanie lub odejmowanie domen (tzw. zarodkowanie i denukleacja ).
Pomiar
Histerezę magnetyczną można scharakteryzować na różne sposoby. Ogólnie rzecz biorąc, materiał magnetyczny jest umieszczany w zmiennym przyłożonym H , indukowanym przez elektromagnes, i mierzona jest wynikająca z tego gęstość strumienia magnetycznego ( pole B ), zwykle za pomocą indukcyjnej siły elektromotorycznej wprowadzonej do cewki przetwornika w pobliżu próbki. Daje to charakterystyczną B - H ; ponieważ histereza wskazuje na efekt pamięci materiału magnetycznego, kształt B - H krzywa zależy od historii zmian w H .
Alternatywnie, histerezę można wykreślić jako namagnesowanie M zamiast B , dając krzywą M - H. Te dwie krzywe są bezpośrednio powiązane, ponieważ .
Pomiar może być obwodem zamkniętym lub otwartym , w zależności od tego, jak materiał magnetyczny jest umieszczony w obwodzie magnetycznym .
- W technikach pomiarowych w obwodzie otwartym (takich jak magnetometr z próbką wibracyjną ) próbka jest zawieszona w wolnej przestrzeni między dwoma biegunami elektromagnesu. Z tego powodu powstaje pole demagnetyzujące , a wewnętrzne pole H w materiale magnetycznym jest inne niż przyłożone H . Normalną krzywą BH można uzyskać po skorygowaniu efektu rozmagnesowania.
- W pomiarach w obwodzie zamkniętym (takich jak histereza) płaskie powierzchnie próbki są dociskane bezpośrednio do biegunów elektromagnesu. Ponieważ powierzchnie biegunów są wysoce przepuszczalne, usuwa to pole rozmagnesowujące, a więc wewnętrzne H jest równe przyłożonemu polu H.
W przypadku twardych materiałów magnetycznych (takich jak spiekane magnesy neodymowe ) szczegółowy mikroskopowy proces odwracania namagnesowania zależy od tego, czy magnes znajduje się w obwodzie otwartym, czy zamkniętym, ponieważ ośrodek magnetyczny wokół magnesu wpływa na interakcje między domenami w sposób, którego nie można w pełni uchwycić prostym współczynnikiem rozmagnesowania.
modele
Najbardziej znanymi modelami empirycznymi histerezy są modele Preisacha i Jilesa-Athertona . Modele te pozwalają na dokładne modelowanie pętli histerezy i są szeroko stosowane w przemyśle.
Jednak modele te tracą związek z termodynamiką i nie jest zapewniona spójność energetyczna. Nowszym modelem, z bardziej spójnymi podstawami termodynamicznymi, jest model wektorowej inkrementalnej niezachowawczej spójnej histerezy (VINCH) Laveta i in. (2011). jest inspirowana kinematycznymi utwardzania i termodynamiką procesów nieodwracalnych . W szczególności, oprócz zapewnienia dokładnego modelowania, przez cały czas znana jest zmagazynowana energia magnetyczna i energia rozproszona. Otrzymane sformułowanie przyrostowe jest wariacyjnie spójne, tj. wszystkie zmienne wewnętrzne wynikają z minimalizacji potencjału termodynamicznego. Pozwala to łatwo uzyskać model wektorowy, podczas gdy Preisach i Jiles-Atherton są zasadniczo modelami skalarnymi.
Stonera -Wohlfartha jest modelem fizycznym wyjaśniającym histerezę w kategoriach odpowiedzi anizotropowej („łatwe” / „twarde” osie każdego ziarna krystalicznego).
mikromagnetyczne próbują uchwycić i szczegółowo wyjaśnić przestrzenne i czasowe aspekty oddziałujących domen magnetycznych, często w oparciu o równanie Landaua-Lifshitza-Gilberta .
Modele zabawkowe, takie jak model Isinga, mogą pomóc w wyjaśnieniu jakościowych i termodynamicznych aspektów histerezy (takich jak przejście fazowe punktu Curie w zachowanie paramagnetyczne), chociaż nie są one używane do opisywania prawdziwych magnesów.
Aplikacje
Istnieje duża różnorodność zastosowań teorii histerezy w materiałach magnetycznych. Wiele z nich wykorzystuje swoją zdolność do przechowywania pamięci, na przykład taśma magnetyczna , dyski twarde i karty kredytowe . W tych zastosowaniach twarde magnesy (wysoka koercja), takie jak żelazo , więc pamięć nie jest łatwo usuwana.
Miękkie magnesy (niska koercja) są stosowane jako rdzenie w transformatorach i elektromagnesach . Reakcja momentu magnetycznego na pole magnetyczne zwiększa reakcję owiniętej wokół niego cewki. Niska koercja zmniejsza straty energii związane z histerezą.
Materiał histerezy magnetycznej (miękkie pręty niklowo-żelazne) był używany do tłumienia ruchu kątowego satelitów na niskich orbitach okołoziemskich od zarania ery kosmicznej.