Крива на хистерезисния контур

1. Въведение

Магнитните материали са повсеместни в съвременните технологии, вариращи от прости магнити за хладилник до сложни компоненти в електрически машини и устройства за съхранение на данни. Разбирането на магнитните свойства на тези материали е от съществено значение за оптимизиране на тяхната производителност. Един от ключовите аспекти на магнитното поведение е хистерезисът, който се отнася до изоставането на магнитната индукция (B) от силата на намагнитване (H), когато магнитният материал е подложен на циклично магнитно поле. Кривата на хистерезиса е графично представяне на тази връзка между B и H и предоставя богата информация за магнитните характеристики на материала.

2. Основни понятия на магнетизма

2.1 Магнитно поле и намагнитваща сила (H)

Магнитното поле е област в пространството, където върху магнитен обект може да се упражнява магнитна сила. Силата на намагнитване, обозначена като H, е мярка за интензитета на магнитното поле. Тя се определя като сила на единица дължина, действаща върху магнитен полюс, поставен в полето. Единицата H е ампери на метър (A/m). В соленоид силата на намагнитване може да се изчисли по формулата H = nI/l, където n е броят на навивките на единица дължина, I е токът, протичащ през соленоида, а l е дължината на соленоида.

2.2 Магнитна индукция (B)

Магнитната индукция, известна още като плътност на магнитния поток, е мярка за количеството магнитен поток, преминаващ през единица площ, перпендикулярна на посоката на магнитното поле. Тя е свързана с намагнитващата сила H чрез уравнението B = μH, където μ е пропускливостта на материала. Пропускливостта е мярка за това колко лесно един материал може да се намагнити. Единицата B е тесла (T), където 1 T = 1 Wb/m² (вебер на квадратен метър).

2.3 Магнитни домейни

В магнитния материал атомите или молекулите имат малки магнитни моменти. Тези магнитни моменти са групирани в области, наречени магнитни домени. В немагнетизиран материал магнитните домени са ориентирани произволно, така че техният общ магнитен ефект се неутрализира. Когато се приложи сила на намагнитване, магнитните домени започват да се подравняват по посока на полето, което води до нетна магнитна индукция в материала.

3. Построяване на кривата на хистерезисния контур

3.1 Крива на начално намагнитване

Когато предварително немагнетизиран магнитен материал е подложен на нарастваща сила на намагнитване H, магнитната индукция B също се увеличава, но не по линеен начин. Първоначално увеличението на B е относително бавно, тъй като магнитните домени започват да се въртят и подравняват с полето. С продължаващото увеличаване на H, все повече домейни се подравняват и B се увеличава с по-бърза скорост. В крайна сметка материалът достига състояние на насищане, при което по-нататъшните увеличения на H не водят до значително увеличение на B. Тази крива, която показва връзката между B и H по време на първоначалния процес на намагнитване, се нарича начална крива на намагнитване.

3.2 Реманентност

След като материалът достигне насищане, ако силата на намагнитване H постепенно се намали до нула, магнитната индукция B не се връща към нула. Вместо това, тя запазва определена стойност, известна като остатъчна магнитна индукция или реманентност (Br). Това е така, защото някои от магнитните домени остават подравнени дори след премахване на външната сила на намагнитване.

3.3 Принуда

За да се намали магнитната индукция B до нула, трябва да се приложи противоположна намагнитваща сила, наречена коерцитивна сила (Hc). Коерцитивността е мярка за съпротивлението на материала на размагнитване. Материалите с висока коерцитивност се размагнитват трудно и са известни като магнитно твърди материали, докато тези с ниска коерцитивност се размагнитват лесно и се наричат ​​магнитно меки материали.

3.4 Обратно насищане

Ако противоположната намагнитваща сила се увеличи допълнително, материалът ще достигне състояние на обратно насищане, където магнитните домени са подредени в обратна посока. Тогава магнитната индукция B ще има отрицателна стойност, равна по величина на положителната стойност на насищане.

3.5 Завършване на цикъла

Когато силата на намагнитване се намали обратно до нула и отново се увеличи в първоначалната посока, магнитната индукция B следва траектория, подобна, но не идентична с началната крива на намагнитване. Пълната затворена крива, получена чрез нанасяне на B спрямо H по време на този цикличен процес, се нарича хистерезисна линия.

4. Физически механизми, лежащи в основата на хистерезиса

4.1 Движение на доменните стени

Доменните стени са границите между съседни магнитни домени. Когато се приложи сила на намагнитване, доменните стени се движат, променяйки размера и ориентацията на домейните. Движението на доменните стени обаче не е процес без триене. В материала има различни препятствия, като примеси, дефекти и граници между зърната, които възпрепятстват движението на доменните стени. Това съпротивление срещу движението на доменните стени допринася за хистерезисния ефект, тъй като доменните стени не реагират веднага на промените в силата на намагнитване.

4.2 Ротация на магнитния момент

В допълнение към движението на доменните стени, магнитните моменти в домейните могат също да се въртят, за да се подравнят със силата на намагнитване. Въртенето на магнитните моменти е възпрепятствано и от взаимодействията между съседните моменти и кристалната решетка на материала. Тези взаимодействия карат магнитните моменти да изостават от промените в силата на намагнитване, което допълнително допринася за феномена на хистерезис.

5. Фактори, влияещи върху хистерезисния контур

5.1 Състав на материала

Различните магнитни материали имат различни характеристики на хистерезисната бримка. Например, сплави на основата на желязо, като силициева стомана, често се използват като меки магнитни материали в трансформатори и двигатели, тъй като имат ниска коерцитивност и висока пропускливост. От друга страна, редкоземните магнити като неодим-желязо-бор (NdFeB) и самарий-кобалт (SmCo) са твърди магнитни материали с висока коерцитивност и остатъчна магнитна ...

5.2 Температура

Температурата има значително влияние върху хистерезисната верига на магнитния материал. С повишаване на температурата се увеличава и термичното движение на атомите и магнитните моменти в материала. Това може да наруши подравняването на магнитните домени, намалявайки остатъчната магнитна напрегнатост и коерцитивността на материала. При определена критична температура, наречена температура на Кюри, материалът губи своите феромагнитни свойства и става парамагнитен.

5.3 Размер на зърната

Размерът на зърната на магнитния материал също влияе върху неговата хистерезисна верига. Като цяло, материалите с по-малки размери на зърната са склонни да имат по-ниска коерцитивност. Това е така, защото по-малките зърна имат по-малко доменни стени и движението на доменните стени е по-малко ограничено в сравнение с материалите с по-големи зърна. Изключително малките размери на зърната обаче могат да доведат до други ефекти, като например повишена повърхностна енергия, което също може да повлияе на магнитните свойства.

6. Приложения на анализа на хистерезисния контур

6.1 Електротехника

В електротехниката, анализът на хистерезисната верига е от решаващо значение за проектирането и избора на магнитни материали в трансформатори, индуктори и двигатели. Меките магнитни материали с ниски хистерезисни загуби са предпочитани за тези приложения, за да се сведе до минимум консумацията на енергия. Чрез анализ на хистерезисната верига, инженерите могат да определят подходящия материал за конкретно приложение въз основа на неговите характеристики на остатъчна магнитна константа, коерцитивност и енергийни загуби.

6.2 Магнитно съхранение

Магнитните устройства за съхранение, като твърди дискове и магнитни ленти, разчитат на способността си да съхраняват и извличат магнитна информация. Хистерезисната верига на магнитния носител на запис определя способността му да задържа данни. Материали с добре дефинирани и стабилни хистерезисни вериги се използват, за да се гарантира, че магнитните състояния, представляващи двоични данни (0 и 1), се поддържат надеждно във времето.

6.3 Медицина

В медицината, анализът на хистерезисната бримка се използва в магнитно-резонансната томография (MRI). Магнитните свойства на тъканите в тялото могат да бъдат изследвани чрез анализ на хистерезисното поведение на водородните ядра в присъствието на силно магнитно поле. Освен това, магнитните наночастици се изследват за употреба в целенасочено доставяне на лекарства и лечение на хипертермия, където характеристиките на хистерезисната бримка на наночастиците играят решаваща роля в тяхната работа.

7. Последни постижения и бъдещи насоки на изследванията

7.1 Наномащабен хистерезис

С развитието на нанотехнологиите нараства интересът към изучаване на хистерезисното поведение на магнитните материали в наномащаб. Наномащабните магнитни частици и тънки филми проявяват уникални хистерезисни характеристики поради малкия си размер и високото съотношение повърхност-обем. Разбирането и контролирането на хистерезиса в наномащаб може да доведе до разработването на нови магнитни устройства с подобрена производителност, като например магнитни устройства за съхранение с висока плътност и спинтронни устройства.

7.2 Мултифероични материали

Мултифероичните материали са материали, които проявяват едновременно феромагнитни и фероелектрични свойства. Свързването между магнитния и електрическия порядък в тези материали води до интересни хистерезисни явления. Изследванията в областта на мултифероичните материали са фокусирани върху използването на техните уникални свойства за приложения в нови устройства с памет, сензори и изпълнителни механизми.

7.3 Изчислително моделиране

Техниките за компютърно моделиране, като например изчисления от първи принципи и микромагнитни симулации, стават все по-важни в изучаването на хистерезисните цикли. Тези методи позволяват на изследователите да предсказват магнитните свойства на материалите и да разбират основните физични механизми на микроскопично ниво. Чрез комбиниране на компютърно моделиране с експериментални измервания може да се постигне по-цялостно разбиране на хистерезиса.

8. Заключение

Кривата на хистерезисната бримка е мощен инструмент за характеризиране на магнитните свойства на материалите. Тя предоставя ценна информация за характеристиките на остатъчна магнитна напрегнатост, коерцитивност и енергийни загуби, които са от съществено значение за проектирането и оптимизирането на магнитни устройства в различни области. Физическите механизми, лежащи в основата на хистерезиса, като движение на доменните стени и въртене на магнитния момент, са изяснени и са обсъдени факторите, влияещи върху формата и размера на хистерезисната бримка, включително състав на материала, температура и размер на зърната. Приложенията на анализа на хистерезисната бримка в електротехниката, магнитното съхранение и медицината подчертават неговото практическо значение. Последните постижения в наномащабния хистерезис, мултифероичните материали и компютърното моделиране предлагат вълнуващи бъдещи насоки за изследване на хистерезисните бримки. С продължаването на изследванията в тази област можем да очакваме нови магнитни материали и устройства с подобрена производителност и нови функционалности.