Магнитный гистерезис возникает, когда внешнее магнитное поле прикладывается к ферромагнетику, такому как железо , и атомные диполи выстраиваются с ним. Даже когда поле снимается, часть выравнивания сохраняется: материал становится намагниченным . После намагничивания магнит будет оставаться намагниченным неопределенно долго. Для его размагничивания требуется тепло или магнитное поле в противоположном направлении. Этот эффект обеспечивает элемент памяти в жестком диске .
Зависимость между напряженностью поля H и намагниченностью M не является линейной в таких материалах. Если магнит размагничивается ( H = M = 0 ) и зависимость между H и M строится для возрастающих уровней напряженности поля, M следует начальной кривой намагничивания . Эта кривая сначала быстро увеличивается, а затем приближается к асимптоте , называемой магнитным насыщением . Если магнитное поле теперь монотонно уменьшается, M следует другой кривой. При нулевой напряженности поля намагниченность смещена от начала координат на величину, называемую остаточной намагниченностью . Если зависимость H - M построить для всех напряженностей приложенного магнитного поля, результатом будет петля гистерезиса, называемая основной петлей . Ширина средней секции вдоль оси H в два раза больше коэрцитивной силы материала. [1] : Глава 1
Более пристальный взгляд на кривую намагничивания обычно выявляет ряд небольших случайных скачков намагниченности, называемых скачками Баркгаузена . Этот эффект обусловлен кристаллографическими дефектами, такими как дислокации . [1] : Глава 15
Магнитные петли гистерезиса не являются исключительными для материалов с ферромагнитным упорядочением. Другие магнитные упорядочения, такие как упорядочение спинового стекла , также демонстрируют это явление. [2]
Явление гистерезиса в ферромагнитных материалах является результатом двух эффектов: вращения намагниченности и изменения размера или числа магнитных доменов . В общем случае намагниченность изменяется (по направлению, но не по величине) поперек магнита, но в достаточно малых магнитах этого не происходит. В этих однодоменных магнитах намагниченность реагирует на магнитное поле вращением. Однодоменные магниты используются везде, где требуется сильная, стабильная намагниченность (например, магнитная запись ).
Более крупные магниты разделены на области, называемые доменами . Внутри каждого домена намагниченность не меняется; но между доменами находятся относительно тонкие доменные стенки , в которых направление намагниченности вращается от направления одного домена к другому. Если магнитное поле изменяется, стенки перемещаются, изменяя относительные размеры доменов. Поскольку домены не намагничены в одном и том же направлении, магнитный момент на единицу объема меньше, чем он был бы в однодоменном магните; но доменные стенки вовлекают вращение только небольшой части намагниченности, поэтому изменить магнитный момент гораздо проще. Намагниченность также может изменяться путем добавления или вычитания доменов (называемых зародышеобразованием и денуклеацией ).
Магнитный гистерезис можно охарактеризовать различными способами. В общем случае магнитный материал помещается в переменное приложенное поле H , индуцированное электромагнитом, и результирующая плотность магнитного потока ( поле B ) измеряется, как правило, с помощью индуктивной электродвижущей силы, вводимой в катушку датчика вблизи образца. Это создает характерную кривую B - H ; поскольку гистерезис указывает на эффект памяти магнитного материала, форма кривой B - H зависит от истории изменений H.
В качестве альтернативы гистерезис можно изобразить как намагниченность M вместо B , получив кривую M - H. Эти две кривые напрямую связаны, поскольку .
Измерение может быть замкнутым или разомкнутым , в зависимости от того, как магнитный материал размещен в магнитной цепи .
В случае магнитотвердых материалов (таких как спеченные неодимовые магниты ) подробный микроскопический процесс перемагничивания зависит от того, находится ли магнит в конфигурации разомкнутой или замкнутой цепи, поскольку магнитная среда вокруг магнита влияет на взаимодействия между доменами таким образом, что это невозможно полностью охватить простым коэффициентом размагничивания. [3]
Наиболее известными эмпирическими моделями в гистерезисе 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 энергии не обеспечивается. Более поздняя модель с более последовательной термодинамической основой — это векторная инкрементальная неконсервативная согласованная гистерезисная модель (VINCH) Лавета и др. (2011). Она вдохновлена законами кинематического упрочнения и термодинамикой необратимых процессов . [4] В частности, помимо обеспечения точного моделирования, накопленная магнитная энергия и рассеиваемая энергия известны в любое время. Полученная инкрементальная формулировка является вариационно согласованной, т. е. все внутренние переменные следуют из минимизации термодинамического потенциала. Это позволяет легко получить векторную модель, в то время как Прейзах и Джайлс-Атертон являются принципиально скалярными моделями.
Модель Стонера–Вольфарта — это физическая модель, объясняющая гистерезис с точки зрения анизотропного отклика («легкие»/«жесткие» оси каждого кристаллического зерна).
Микромагнетическое моделирование пытается охватить и подробно объяснить пространственные и временные аспекты взаимодействующих магнитных доменов, часто основываясь на уравнении Ландау-Лифшица-Гильберта .
Игрушечные модели, такие как модель Изинга, могут помочь объяснить качественные и термодинамические аспекты гистерезиса (например, фазовый переход в точке Кюри к парамагнитному поведению), хотя они не используются для описания реальных магнитов.
Существует большое разнообразие приложений теории гистерезиса в магнитных материалах. Многие из них используют их способность сохранять память, например, магнитная лента , жесткие диски и кредитные карты . В этих приложениях желательны твердые магниты (высокая коэрцитивность), такие как железо , чтобы память не стиралась легко.
Мягкие магниты (низкая коэрцитивная сила) используются в качестве сердечников в трансформаторах и электромагнитах . Реакция магнитного момента на магнитное поле усиливает реакцию катушки, обернутой вокруг него. Низкая коэрцитивная сила уменьшает потери энергии, связанные с гистерезисом.
Магнитный гистерезисный материал (мягкие стержни из никеля и железа) использовался для гашения углового движения спутников на низкой околоземной орбите с начала космической эры. [5]
