Krivulja histerezne petlje

1. Uvod

Magnetski materijali su sveprisutni u modernoj tehnologiji, od jednostavnih magneta za hladnjak do složenih komponenti u električnim strojevima i uređajima za pohranu podataka. Razumijevanje magnetskih svojstava ovih materijala ključno je za optimizaciju njihovih performansi. Jedan od ključnih aspekata magnetskog ponašanja je histereza, koja se odnosi na zaostajanje magnetske indukcije (B) za silom magnetiziranja (H) kada je magnetski materijal izložen cikličkom magnetskom polju. Krivulja histerezne petlje grafički je prikaz ovog odnosa između B i H i pruža mnoštvo informacija o magnetskim karakteristikama materijala.

2. Osnovni koncepti magnetizma

2.1 Magnetsko polje i sila magnetiziranja (H)

Magnetsko polje je područje u prostoru gdje magnetska sila može djelovati na magnetski objekt. Sila magnetiziranja, označena kao H, mjera je intenziteta magnetskog polja. Definira se kao sila po jedinici duljine koja djeluje na magnetski pol postavljen u polje. Jedinica H je amper po metru (A/m). U solenoidu se sila magnetiziranja može izračunati pomoću formule H = nI/l, gdje je n broj zavoja po jedinici duljine, I je struja koja teče kroz solenoid, a l je duljina solenoida.

2.2 Magnetska indukcija (B)

Magnetska indukcija, poznata i kao gustoća magnetskog toka, mjera je količine magnetskog toka koji prolazi kroz jedinicu površine okomito na smjer magnetskog polja. Povezana je s magnetizirajućom silom H jednadžbom B = μH, gdje je μ permeabilnost materijala. Permeabilnost je mjera koliko se materijal lako može magnetizirati. Jedinica B je tesla (T), gdje je 1 T = 1 Wb/m² (weber po kvadratnom metru).

2.3 Magnetske domene

U magnetskom materijalu, atomi ili molekule imaju male magnetske momente. Ti magnetski momenti su grupirani u područja koja se nazivaju magnetske domene. U nemagnetiziranom materijalu, magnetske domene su nasumično orijentirane, pa se njihov neto magnetski učinak poništava. Kada se primijeni sila magnetiziranja, magnetske domene počinju se poravnavati u smjeru polja, što rezultira neto magnetskom indukcijom u materijalu.

3. Konstrukcija krivulje histerezne petlje

3.1 Početna krivulja magnetizacije

Kada se prethodno nemagnetizirani magnetski materijal podvrgne rastućoj sili magnetizacije H, magnetska indukcija B također se povećava, ali ne linearno. U početku je povećanje B relativno sporo jer se magnetske domene počinju rotirati i poravnavati s poljem. Kako se H nastavlja povećavati, sve više domena se poravnava, a B se povećava brže. Na kraju, materijal doseže stanje zasićenja, gdje daljnja povećanja H ne rezultiraju značajnim povećanjem B. Ova krivulja, koja prikazuje odnos između B i H tijekom početnog procesa magnetizacije, naziva se početna krivulja magnetizacije.

3.2 Remanencija

Nakon što materijal dosegne zasićenje, ako se sila magnetiziranja H postupno smanjuje na nulu, magnetska indukcija B se ne vraća na nulu. Umjesto toga, zadržava određenu vrijednost, poznatu kao remanentna magnetska indukcija ili remanencija (Br). To je zato što neke magnetske domene ostaju poravnate čak i nakon što se vanjska sila magnetiziranja ukloni.

3.3 Prisila

Da bi se magnetska indukcija B smanjila na nulu, mora se primijeniti suprotna sila magnetiziranja, nazvana koercitivna sila (Hc). Koercitivnost je mjera otpora materijala na demagnetizaciju. Materijale s visokom koercitivnošću teško je demagnetizirati i poznati su kao tvrdi magnetski materijali, dok se oni s niskom koercitivnošću lako demagnetiziraju i nazivaju se meki magnetski materijali.

3.4 Obrnuta zasićenost

Ako se suprotna sila magnetiziranja dodatno poveća, materijal će dosegnuti stanje obrnutog zasićenja, gdje su magnetske domene poravnate u suprotnom smjeru. Magnetska indukcija B tada će imati negativnu vrijednost jednaku veličini pozitivnoj vrijednosti zasićenja.

3.5 Završetak petlje

Kada se sila magnetiziranja smanji natrag na nulu i ponovno poveća u izvornom smjeru, magnetska indukcija B slijedi putanju sličnu, ali ne i identičnu početnoj krivulji magnetizacije. Potpuna zatvorena krivulja dobivena crtanjem B u odnosu na H tijekom ovog cikličkog procesa naziva se histerezisna petlja.

4. Fizički mehanizmi koji leže u osnovi histereze

4.1 Gibanje domenskog zida

Domenski zidovi su granice između susjednih magnetskih domena. Kada se primijeni sila magnetiziranja, domenski zidovi se pomiču kako bi promijenili veličinu i orijentaciju domena. Međutim, gibanje domenskih zidova nije proces bez trenja. Unutar materijala postoje razne prepreke, poput nečistoća, defekata i granica zrna, koje ometaju kretanje domenskih zidova. Ovaj otpor gibanju domenskih zidova doprinosi efektu histereze, jer domenski zidovi ne reagiraju odmah na promjene u sili magnetiziranja.

4.2 Rotacija magnetskog momenta

Osim gibanja stijenki domena, magnetski momenti unutar domena također se mogu rotirati kako bi se poravnali s magnetizirajućom silom. Rotaciju magnetskih momenata također ometaju interakcije između susjednih momenata i kristalne rešetke materijala. Ove interakcije uzrokuju da magnetski momenti zaostaju za promjenama magnetizirajuće sile, što dodatno doprinosi fenomenu histereze.

5. Čimbenici koji utječu na histereznu petlju

5.1 Sastav materijala

Različiti magnetski materijali imaju različite karakteristike histerezne petlje. Na primjer, legure na bazi željeza poput silicijskog čelika često se koriste kao meki magnetski materijali u transformatorima i motorima jer imaju nisku koercitivnost i visoku permeabilnost. S druge strane, rijetkozemni magneti poput neodimija-željeza-bora (NdFeB) i samarija-kobalta (SmCo) su tvrdi magnetski materijali s visokom koercitivnošću i remanencijom, što ih čini prikladnima za primjene gdje je potrebno jako i trajno magnetsko polje, kao što su motori električnih vozila i magnetski ležajevi.

5.2 Temperatura

Temperatura ima značajan utjecaj na histereznu petlju magnetskog materijala. S porastom temperature, povećava se i toplinsko miješanje atoma i magnetski momenti unutar materijala. To može poremetiti poravnanje magnetskih domena, smanjujući remanenciju i koercitivnost materijala. Na određenoj kritičnoj temperaturi, nazvanoj Curiejeva temperatura, materijal gubi svoja feromagnetska svojstva i postaje paramagnetski.

5.3 Veličina zrna

Veličina zrna magnetskog materijala također utječe na njegovu histereznu petlju. Općenito, materijali s manjim veličinama zrna imaju tendenciju niže koercitivnosti. To je zato što manja zrna imaju manje domenskih stijenki, a kretanje domenskih stijenki je manje ograničeno u usporedbi s materijalima s većim zrnima. Međutim, izuzetno male veličine zrna mogu dovesti do drugih učinaka, poput povećane površinske energije, što također može utjecati na magnetska svojstva.

6. Primjena analize histerezne petlje

6.1 Elektrotehnika

U elektrotehnici, analiza histerezne petlje ključna je za projektiranje i odabir magnetskih materijala u transformatorima, induktorima i motorima. Meki magnetski materijali s niskim gubitkom histereze preferiraju se za ove primjene kako bi se smanjila potrošnja energije. Analizom histerezne petlje inženjeri mogu odrediti odgovarajući materijal za određenu primjenu na temelju njegove remanencije, koercitivnosti i karakteristika gubitka energije.

6.2 Magnetska pohrana

Magnetni uređaji za pohranu, poput tvrdih diskova i magnetskih vrpci, oslanjaju se na sposobnost pohranjivanja i dohvaćanja magnetskih informacija. Histerezna petlja magnetskog medija za snimanje određuje njegovu sposobnost zadržavanja podataka. Materijali s dobro definiranim i stabilnim histereznim petljama koriste se kako bi se osiguralo da se magnetska stanja koja predstavljaju binarne podatke (0 i 1) pouzdano održavaju tijekom vremena.

6.3 Lijek

U medicini se analiza histerezne petlje koristi u magnetskoj rezonanciji (MRI). Magnetska svojstva tkiva u tijelu mogu se proučavati analizom histereznog ponašanja vodikovih jezgri u prisutnosti jakog magnetskog polja. Osim toga, magnetske nanočestice se istražuju za upotrebu u ciljanoj isporuci lijekova i liječenju hipertermijom, gdje karakteristike histerezne petlje nanočestica igraju ključnu ulogu u njihovim performansama.

7. Nedavni napredak i budući pravci istraživanja

7.1 Histereza na nanoskalnim razinama

Razvojem nanotehnologije, raste interes za proučavanje histereznog ponašanja magnetskih materijala na nanoskali. Nanomagnetske čestice i tanki filmovi pokazuju jedinstvene histerezne karakteristike zbog svoje male veličine i visokog omjera površine i volumena. Razumijevanje i kontrola histereze na nanoskali može dovesti do razvoja novih magnetskih uređaja s poboljšanim performansama, kao što su magnetska pohrana visoke gustoće i spintronički uređaji.

7.2 Multiferoični materijali

Multiferoični materijali su materijali koji istovremeno pokazuju i feromagnetska i feroelektrična svojstva. Sprega između magnetskog i električnog reda u tim materijalima dovodi do zanimljivih histereznih fenomena. Istraživanje multiferoičnih materijala usmjereno je na iskorištavanje njihovih jedinstvenih svojstava za primjenu u novim memorijskim uređajima, senzorima i aktuatorima.

7.3 Računalno modeliranje

Tehnike računalnog modeliranja, poput izračuna prema prvim principima i mikromagnetskih simulacija, postaju sve važnije u proučavanju histereznih petlji. Ove metode omogućuju istraživačima predviđanje magnetskih svojstava materijala i razumijevanje temeljnih fizičkih mehanizama na mikroskopskoj razini. Kombiniranjem računalnog modeliranja s eksperimentalnim mjerenjima može se postići sveobuhvatnije razumijevanje histereze.

8. Zaključak

Krivulja histerezne petlje moćan je alat za karakterizaciju magnetskih svojstava materijala. Pruža vrijedne informacije o remanenciji, koercitivnosti i karakteristikama gubitka energije, što je ključno za dizajn i optimizaciju magnetskih uređaja u raznim područjima. Razjašnjeni su fizički mehanizmi koji leže u osnovi histereze, poput gibanja domenskih stijenki i rotacije magnetskog momenta, a raspravljalo se i o čimbenicima koji utječu na oblik i veličinu histerezne petlje, uključujući sastav materijala, temperaturu i veličinu zrna. Primjena analize histerezne petlje u elektrotehnici, magnetskoj pohrani i medicini ističe njezin praktični značaj. Nedavni napredak u nanoskalnoj histerezi, multiferoičnim materijalima i računalnom modeliranju nudi uzbudljive buduće istraživačke smjerove u proučavanju histereznih petlji. Kako se istraživanja u ovom području nastavljaju, možemo očekivati ​​nove magnetske materijale i uređaje s poboljšanim performansama i novim funkcionalnostima.