Hystereesisilmukkakäyrä

1. Johdanto

Magneettisia materiaaleja on kaikkialla nykyteknologiassa, yksinkertaisista jääkaappimagneeteista monimutkaisiin sähkökoneiden ja tiedontallennuslaitteiden komponentteihin. Näiden materiaalien magneettisten ominaisuuksien ymmärtäminen on olennaista niiden suorituskyvyn optimoimiseksi. Yksi magneettisen käyttäytymisen keskeisistä näkökohdista on hystereesi, joka viittaa magneettisen induktion (B) jälkeenjäämiseen magnetointivoimasta (H), kun magneettinen materiaali altistetaan sykliselle magneettikentälle. Hystereesisilmukkakäyrä on graafinen esitys tästä B:n ja H:n välisestä suhteesta, ja se tarjoaa runsaasti tietoa materiaalin magneettisista ominaisuuksista.

2. Magnetismin peruskäsitteet

2.1 Magneettikenttä ja magnetointivoima (H)

Magneettikenttä on avaruuden alue, jossa magneettinen voima voidaan kohdistaa magneettiseen kappaleeseen. Magnetointivoima, jota merkitään H:lla, on magneettikentän voimakkuuden mitta. Se määritellään voimaksi pituusyksikköä kohti, joka vaikuttaa kenttään sijoitettuun magneettinapaan. H:n yksikkö on ampeeria metriä kohti (A/m). Solenoidissa magnetointivoima voidaan laskea kaavalla H = nI/l, jossa n on kierrosten lukumäärä pituusyksikköä kohti, I on solenoidin läpi kulkeva virta ja l on solenoidin pituus.

2.2 Magneettinen induktio (B)

Magneettinen induktio, joka tunnetaan myös magneettivuon tiheytenä, on magneettikentän suuntaan kohtisuorassa olevan pinta-alan läpi kulkevan magneettivuon määrä. Se liittyy magnetointivoimaan H yhtälöllä B = μH, jossa μ on materiaalin permeabiliteetti. Permeabiliteetti mittaa sitä, kuinka helposti materiaali voidaan magnetoida. B:n yksikkö on tesla (T), jossa 1 T = 1 Wb/m² (weberiä neliömetriä kohti).

2.3 Magneettiset domeenit

Magneettisessa materiaalissa atomeilla tai molekyyleillä on pienet magneettiset momentit. Nämä magneettiset momentit on ryhmitelty alueiksi, joita kutsutaan magneettisiksi domeeneiksi. Magnetoimattomassa materiaalissa magneettiset domeenit ovat satunnaisesti suuntautuneet, joten niiden magneettinen nettovaikutus kumoutuu. Kun magnetointivoima kohdistetaan, magneettiset domeenit alkavat suuntautua kentän suuntaan, mikä johtaa materiaalin magneettiseen nettoinduktioon.

3. Hystereesisilmukkakäyrän konstruktio

3.1 Alkuperäinen magnetisaatiokäyrä

Kun aiemmin magnetoimattomaan magneettiseen materiaaliin kohdistetaan kasvava magnetointivoima H, magneettinen induktio B kasvaa myös, mutta ei lineaarisesti. Aluksi B:n kasvu on suhteellisen hidasta, kun magneettiset domeenit alkavat pyöriä ja linjautua kentän kanssa. Kun H jatkaa kasvuaan, yhä useammat domeenit linjautuvat ja B kasvaa nopeammin. Lopulta materiaali saavuttaa kyllästymistilan, jossa H:n lisäykset eivät johda merkittävään B:n kasvuun. Tätä käyrää, joka osoittaa B:n ja H:n välisen suhteen alkumagnetisointiprosessin aikana, kutsutaan alkumagnetisointikäyräksi.

3.2 Jäännös

Kun materiaali saavuttaa kyllästymispisteen ja magnetointivoima H vähitellen pienenee nollaan, magneettinen induktio B ei palaa nollaan. Sen sijaan se säilyttää tietyn arvon, joka tunnetaan jäännösmagneettisena induktiona eli remanenssina (Br). Tämä johtuu siitä, että jotkin magneettiset domeenit pysyvät linjassa, vaikka ulkoinen magnetointivoima poistetaan.

3.3 Pakkovaikutus

Magneettisen induktion B pienentämiseksi nollaan on kohdistettava vastakkainen magnetointivoima, jota kutsutaan koersitiivivoimaksi (Hc). Koersitiivisuus mittaa materiaalin vastustuskykyä demagnetisoitumiselle. Materiaaleja, joilla on korkea koersitiivisuus, on vaikea demagnetisoida, ja niitä kutsutaan koviksi magneettisiksi materiaaleiksi, kun taas materiaaleja, joilla on alhainen koersitiivisuus, on helppo demagnetisoida, ja niitä kutsutaan pehmeiksi magneettisiksi materiaaleiksi.

3.4 Käänteinen kylläisyys

Jos vastakkaista magnetointivoimaa lisätään edelleen, materiaali saavuttaa käänteisen kyllästymistilan, jossa magneettiset domeenit ovat vastakkaiseen suuntaan. Magneettisen induktion B arvo on tällöin negatiivinen ja yhtä suuri kuin positiivinen kyllästymisarvo.

3.5 Silmukan loppuun saattaminen

Kun magnetointivoima sitten pienennetään takaisin nollaan ja lisätään uudelleen alkuperäiseen suuntaan, magneettinen induktio B seuraa polkua, joka on samanlainen, mutta ei identtinen alkuperäisen magnetointikäyrän kanssa. Täydellistä suljettua käyrää, joka saadaan piirtämällä B H:n funktiona tämän syklisen prosessin aikana, kutsutaan hystereesisilmukaksi.

4. Hystereesin taustalla olevat fyysiset mekanismit

4.1 Alueen seinämän liike

Domeeniseinät ovat vierekkäisten magneettisten domeenien välisiä rajoja. Kun magnetointivoima kohdistetaan, domeeniseinät liikkuvat ja muuttavat domeenien kokoa ja suuntaa. Domeeniseinien liike ei kuitenkaan ole kitkaton prosessi. Materiaalin sisällä on erilaisia ​​esteitä, kuten epäpuhtauksia, vikoja ja raeravoja, jotka estävät domeeniseinien liikettä. Tämä domeeniseinien liikkeen vastustus vaikuttaa hystereesi-ilmiöön, koska domeeniseinät eivät reagoi välittömästi magnetointivoiman muutoksiin.

4.2 Magneettinen momentti Rotaatio

Domeeniseinän liikkeen lisäksi domeenien magneettiset momentit voivat myös kiertyä magnetointivoiman suuntaisesti. Magneettisten momenttien kiertymistä haittaavat myös vierekkäisten momenttien ja materiaalin kidehilan väliset vuorovaikutukset. Nämä vuorovaikutukset aiheuttavat sen, että magneettiset momentit jäävät jälkeen magnetointivoiman muutoksista, mikä osaltaan edistää hystereesi-ilmiötä.

5. Hystereesisilmukkaan vaikuttavat tekijät

5.1 Materiaalikoostumus

Eri magneettisilla materiaaleilla on erilaiset hystereesisilmukan ominaisuudet. Esimerkiksi rautapohjaisia ​​seoksia, kuten piiterästä, käytetään yleisesti pehmeinä magneettisina materiaaleina muuntajissa ja moottoreissa, koska niillä on alhainen koersitiivisuus ja korkea permeabiliteetti. Toisaalta harvinaisten maametallien magneetit, kuten neodyymi-rauta-boori (NdFeB) ja samarium-koboltti (SmCo), ovat kovia magneettisia materiaaleja, joilla on korkea koersitiivisuus ja remanenssi, mikä tekee niistä sopivia sovelluksiin, joissa tarvitaan voimakasta ja pysyvää magneettikenttää, kuten sähköajoneuvojen moottoreissa ja magneettilaakereissa.

5.2 Lämpötila

Lämpötilalla on merkittävä vaikutus magneettisen materiaalin hystereesisilmukkaan. Lämpötilan noustessa atomien ja magneettisten momenttien terminen liike materiaalin sisällä lisääntyy. Tämä voi häiritä magneettisten domeenien suuntautumista, mikä vähentää materiaalin remanenssia ja koersitiivisuutta. Tietyssä kriittisessä lämpötilassa, jota kutsutaan Curie-lämpötilaksi, materiaali menettää ferromagneettiset ominaisuutensa ja muuttuu paramagneettiseksi.

5.3 Rakekoko

Magneettisen materiaalin raekoko vaikuttaa myös sen hystereesisilmukkaan. Yleisesti ottaen pienempien raekokoisten materiaalien koersitiivisuus on yleensä alhaisempi. Tämä johtuu siitä, että pienemmissä rakeissa on vähemmän domeeniseiniä, ja domeeniseinien liike on vähemmän rajoitettua verrattuna suurempien rakeiden materiaaleihin. Erittäin pienet raekokot voivat kuitenkin johtaa muihin vaikutuksiin, kuten lisääntyneeseen pintaenergiaan, mikä voi myös vaikuttaa magneettisiin ominaisuuksiin.

6. Hystereesisilmukka-analyysin sovellukset

6.1 Sähkötekniikka

Sähkötekniikassa hystereesisilmukan analysointi on ratkaisevan tärkeää muuntajien, induktorien ja moottoreiden magneettisten materiaalien suunnittelussa ja valinnassa. Näissä sovelluksissa suositaan pehmeitä magneettisia materiaaleja, joilla on pieni hystereesihäviö, energiankulutuksen minimoimiseksi. Analysoimalla hystereesisilmukkaa insinöörit voivat määrittää sopivan materiaalin tiettyyn sovellukseen sen remanenssin, koersitiivisuuden ja energiahäviöominaisuuksien perusteella.

6.2 Magneettinen tallennustila

Magneettiset tallennuslaitteet, kuten kiintolevyt ja magneettinauhat, ovat riippuvaisia ​​kyvystä tallentaa ja hakea magneettista tietoa. Magneettisen tallennusvälineen hystereesisilmukka määrää sen kyvyn säilyttää tietoa. Materiaaleja, joissa on hyvin määritellyt ja vakaat hystereesisilmukat, käytetään varmistamaan, että binääridataa (0 ja 1) edustavat magneettiset tilat säilyvät luotettavasti ajan kuluessa.

6.3 Lääketiede

Lääketieteessä hystereesisilmukka-analyysiä käytetään magneettikuvauksessa (MRI). Kehon kudosten magneettisia ominaisuuksia voidaan tutkia analysoimalla vetyytimien hystereesikäyttäytymistä voimakkaan magneettikentän läsnä ollessa. Lisäksi magneettisia nanopartikkeleita tutkitaan käytettäväksi kohdennetussa lääkeaineiden annostelussa ja hypertermiahoidossa, joissa nanopartikkelien hystereesisilmukka-ominaisuuksilla on ratkaiseva rooli niiden suorituskyvyssä.

7. Viimeaikaiset edistysaskeleet ja tulevat tutkimussuunnat

7.1 Nanoskaalan hystereesi

Nanoteknologian kehittyessä on kasvanut kiinnostus magneettisten materiaalien hystereesikäyttäytymisen tutkimiseen nanoskaalassa. Nanoskaalan magneettisilla hiukkasilla ja ohuilla kalvoilla on ainutlaatuisia hystereesiominaisuuksia pienen kokonsa ja korkean pinta-tilavuussuhteensa vuoksi. Nanoskaalan hystereesin ymmärtäminen ja hallinta voi johtaa uusien, suorituskykyisempien magneettisten laitteiden, kuten suuren tiheyden magneettisten tallennus- ja spintronisten laitteiden, kehittämiseen.

7.2 Multiferroiset materiaalit

Multiferroiset materiaalit ovat materiaaleja, joilla on samanaikaisesti sekä ferromagneettisia että ferrosähköisiä ominaisuuksia. Näiden materiaalien magneettisten ja sähköisten järjestysten välinen kytkentä aiheuttaa mielenkiintoisia hystereesi-ilmiöitä. Multiferroisten materiaalien tutkimus keskittyy niiden ainutlaatuisten ominaisuuksien hyödyntämiseen uusissa muistilaitteissa, antureissa ja toimilaitteissa.

7.3 Laskennallinen mallinnus

Laskennalliset mallinnustekniikat, kuten ensimmäisen periaatteen laskelmat ja mikromagneettiset simulaatiot, ovat yhä tärkeämpiä hystereesisilmukoiden tutkimuksessa. Näiden menetelmien avulla tutkijat voivat ennustaa materiaalien magneettisia ominaisuuksia ja ymmärtää taustalla olevia fysikaalisia mekanismeja mikroskooppisella tasolla. Yhdistämällä laskennallisen mallinnuksen kokeellisiin mittauksiin voidaan saavuttaa kattavampi käsitys hystereesistä.

8. Johtopäätös

Hystereesisilmukkakäyrä on tehokas työkalu materiaalien magneettisten ominaisuuksien karakterisointiin. Se tarjoaa arvokasta tietoa remanenssista, koersitiivisuudesta ja energiahäviöominaisuuksista, jotka ovat olennaisia ​​magneettisten laitteiden suunnittelussa ja optimoinnissa eri aloilla. Hystereesin taustalla olevia fysikaalisia mekanismeja, kuten domeeniseinän liikettä ja magneettisen momentin pyörimistä, on selvitetty, ja hystereesisilmukan muotoon ja kokoon vaikuttavia tekijöitä, kuten materiaalin koostumus, lämpötila ja raekoko, on käsitelty. Hystereesisilmukka-analyysin sovellukset sähkötekniikassa, magneettisessa tallennuksessa ja lääketieteessä korostavat sen käytännön merkitystä. Viimeaikaiset edistysaskeleet nanoskaalan hystereesissä, multiferroisissa materiaaleissa ja laskennallisessa mallinnuksessa tarjoavat jännittäviä tulevaisuuden tutkimussuuntia hystereesisilmukoiden tutkimuksessa. Tutkimuksen jatkuessa tällä alalla voimme odottaa näkevämme uusia magneettisia materiaaleja ja laitteita, joilla on parannettu suorituskyky ja uusia toimintoja.