Крива на хистерезисната јамка

1. Вовед

Магнетните материјали се сеприсутни во модерната технологија, почнувајќи од едноставни магнети за фрижидер до сложени компоненти во електрични машини и уреди за складирање податоци. Разбирањето на магнетните својства на овие материјали е од суштинско значење за оптимизирање на нивните перформанси. Еден од клучните аспекти на магнетното однесување е хистерезисот, што се однесува на заостанувањето на магнетната индукција (B) зад силата на магнетизирање (H) кога магнетниот материјал е подложен на циклично магнетно поле. Кривата на хистерезисната јамка е графички приказ на овој однос помеѓу B и H и обезбедува богатство од информации за магнетните карактеристики на материјалот.

2. Основни концепти на магнетизмот

2.1 Магнетно поле и сила на магнетизирање (H)

Магнетното поле е регион во просторот каде што магнетна сила може да дејствува врз магнетен објект. Силата на магнетизирање, означена како H, е мерка за интензитетот на магнетното поле. Се дефинира како сила по единица должина што дејствува на магнетен пол поставен во полето. Единицата H е ампери на метар (A/m). Во соленоид, силата на магнетизирање може да се пресмета со помош на формулата H = nI/l, каде што n е бројот на намотки по единица должина, I е струјата што тече низ соленоидот, а l е должината на соленоидот.

2.2 Магнетна индукција (Б)

Магнетната индукција, позната и како густина на магнетен флукс, е мерка за количината на магнетен флукс што минува низ единична површина нормална на насоката на магнетното поле. Таа е поврзана со силата на магнетизирање H со равенката B = μH, каде што μ е пропустливоста на материјалот. Пропустливоста е мерка за тоа колку лесно еден материјал може да се магнетизира. Единицата на B е тесла (T), каде што 1 T = 1 Wb/m² (вебер на квадратен метар).

2.3 Магнетни домени

Во магнетен материјал, атомите или молекулите имаат мали магнетни моменти. Овие магнетни моменти се групирани во региони наречени магнетни домени. Во немагнетизиран материјал, магнетните домени се случајно ориентирани, така што нивниот нето магнетен ефект се поништува. Кога се применува сила на магнетизирање, магнетните домени почнуваат да се усогласуваат во насоката на полето, што резултира со нето магнетна индукција во материјалот.

3. Конструкција на кривата на хистерезисната јамка

3.1 Почетна крива на магнетизација

Кога претходно немагнетизиран магнетен материјал е подложен на зголемена сила на магнетизирање H, магнетната индукција B исто така се зголемува, но не на линеарен начин. Првично, зголемувањето на B е релативно бавно бидејќи магнетните домени почнуваат да ротираат и да се усогласуваат со полето. Како што H продолжува да се зголемува, сè повеќе и повеќе домени се усогласуваат, а B се зголемува со поголема брзина. На крајот, материјалот достигнува состојба на заситеност, каде што понатамошните зголемувања на H не резултираат со значително зголемување на B. Оваа крива, која ја покажува врската помеѓу B и H за време на почетниот процес на магнетизација, се нарекува почетна крива на магнетизација.

3.2 Преостанатост

Откако материјалот ќе достигне сатурација, ако силата на магнетизирање H постепено се намалува на нула, магнетната индукција B не се враќа на нула. Наместо тоа, таа задржува одредена вредност, позната како преостаната магнетна индукција или преостаната магнетна индукција (Br). Ова е затоа што некои од магнетните домени остануваат порамнети дури и откако ќе се отстрани надворешната сила на магнетизирање.

3.3 Коерцивност

За да се намали магнетната индукција B на нула, мора да се примени спротивна сила на магнетизирање, наречена сила на присилување (Hc). Присилното дејство е мерка за отпорноста на материјалот на демагнетизација. Материјалите со висока присилно дејство тешко се демагнетизираат и се познати како тврди магнетни материјали, додека оние со ниска присилно дејство лесно се демагнетизираат и се нарекуваат меки магнетни материјали.

3.4 Обратна сатурација

Ако спротивната сила на магнетизирање се зголеми дополнително, материјалот ќе достигне состојба на обратна сатурација, каде што магнетните домени се порамнети во спротивна насока. Магнетната индукција B тогаш ќе има негативна вредност еднаква по големина на позитивната вредност на сатурација.

3.5 Завршување на јамката

Кога силата на магнетизирање потоа се намалува назад на нула и повторно се зголемува во првобитната насока, магнетната индукција B следи патека слична, но не идентична, со почетната крива на магнетизација. Целосната затворена крива добиена со графичко прикажување на B во однос на H за време на овој цикличен процес се нарекува хистерезисна јамка.

4. Физички механизми што лежат во основата на хистерезисот

4.1 Движење на ѕидот на доменот

Ѕидовите на домените се границите помеѓу соседните магнетни домени. Кога се применува сила на магнетизирање, ѕидовите на домените се движат за да ја променат големината и ориентацијата на домените. Сепак, движењето на ѕидот на домените не е процес без триење. Постојат различни пречки во материјалот, како што се нечистотии, дефекти и граници на зрната, кои го попречуваат движењето на ѕидовите на домените. Овој отпор кон движењето на ѕидот на домените придонесува за ефектот на хистерезис, бидејќи ѕидовите на домените не реагираат веднаш на промените во силата на магнетизирање.

4.2 Ротација на магнетен момент

Покрај движењето на ѕидот на домените, магнетните моменти во домените можат да ротираат и за да се усогласат со силата на магнетизирање. Ротацијата на магнетните моменти е исто така попречена од интеракциите помеѓу соседните моменти и кристалната решетка на материјалот. Овие интеракции предизвикуваат магнетните моменти да заостануваат зад промените во силата на магнетизирање, што дополнително придонесува за феноменот на хистерезис.

5. Фактори што влијаат на хистерезисната јамка

5.1 Состав на материјалот

Различните магнетни материјали имаат различни карактеристики на хистерезисната јамка. На пример, легурите на база на железо, како што е силициумскиот челик, најчесто се користат како меки магнетни материјали во трансформатори и мотори бидејќи имаат ниска коерцивност и висока пропустливост. Од друга страна, ретките земни магнети како неодимиум-железо-бор (NdFeB) и самариум-кобалт (SmCo) се тврди магнетни материјали со висока коерцивност и реманенција, што ги прави погодни за апликации каде што е потребно силно и трајно магнетно поле, како што се кај моторите на електрични возила и магнетните лежишта.

5.2 Температура

Температурата има значително влијание врз хистерезисната јамка на магнетниот материјал. Со зголемувањето на температурата, се зголемува и термичката агитација на атомите и магнетните моменти во материјалот. Ова може да го наруши усогласувањето на магнетните домени, намалувајќи ја реманентноста и коерцитивноста на материјалот. На одредена критична температура, наречена Кириева температура, материјалот ги губи своите феромагнетни својства и станува парамагнетен.

5.3 Големина на зрно

Големината на зрната на магнетниот материјал, исто така, влијае на неговата хистерезисна јамка. Општо земено, материјалите со помали големини на зрната имаат тенденција да имаат помала коерцивност. Ова е затоа што помалите зрна имаат помалку ѕидови на домените, а движењето на ѕидовите на домените е помалку ограничено во споредба со материјалите со поголеми зрна. Сепак, екстремно малите големини на зрната можат да доведат до други ефекти, како што е зголемена површинска енергија, што исто така може да влијае на магнетните својства.

6. Примени на анализата на хистерезисната јамка

6.1 Електротехника

Во електротехниката, анализата на хистерезисната јамка е клучна за дизајнирање и избор на магнетни материјали во трансформатори, индуктиви и мотори. Меки магнетни материјали со ниски хистерезисни загуби се претпочитаат за овие апликации за да се минимизира потрошувачката на енергија. Со анализа на хистерезисната јамка, инженерите можат да го одредат соодветниот материјал за одредена апликација врз основа на неговите карактеристики на реманенција, коерцивност и загуба на енергија.

6.2 Магнетно складирање

Магнетните уреди за складирање, како што се тврдите дискови и магнетните ленти, се потпираат на можноста за складирање и пребарување на магнетни информации. Хистерезисната јамка на магнетниот медиум за снимање ја одредува неговата способност да задржува податоци. Материјалите со добро дефинирани и стабилни хистерезисни јамки се користат за да се обезбеди сигурно одржување на магнетните состојби што ги претставуваат бинарните податоци (0 и 1) со текот на времето.

6.3 Медицина

Во медицината, анализата на хистерезисната јамка се користи во магнетната резонанца (МРИ). Магнетните својства на ткивата во телото може да се изучуваат со анализа на хистерезисното однесување на водородните јадра во присуство на силно магнетно поле. Дополнително, магнетните наночестички се испитуваат за употреба во целна испорака на лекови и третман на хипертермија, каде што карактеристиките на хистерезисната јамка на наночестичките играат клучна улога во нивните перформанси.

7. Неодамнешни достигнувања и идни насоки за истражување

7.1 Наноскална хистереза

Со развојот на нанотехнологијата, се зголемува интересот за проучување на хистерезисното однесување на магнетните материјали на наноскала. Наноскалните магнетни честички и тенките филмови покажуваат уникатни хистерезисни карактеристики поради нивната мала големина и висок однос површина-волумен. Разбирањето и контролирањето на хистерезисот на наноскала може да доведе до развој на нови магнетни уреди со подобрени перформанси, како што се магнетни уреди за складирање со висока густина и спинтронски уреди.

7.2 Мултифероични материјали

Мултифероидните материјали се материјали кои истовремено покажуваат и феромагнетни и фероелектрични својства. Спојувањето помеѓу магнетните и електричните редови во овие материјали доведува до интересни феномени на хистерезис. Истражувањето на мултифероидните материјали е фокусирано на искористување на нивните уникатни својства за примена во нови мемориски уреди, сензори и актуатори.

7.3 Компјутациско моделирање

Техниките за компјутерско моделирање, како што се пресметките на првите принципи и микромагнетните симулации, стануваат сè поважни во проучувањето на хистерезисните јамки. Овие методи им овозможуваат на истражувачите да ги предвидат магнетните својства на материјалите и да ги разберат основните физички механизми на микроскопско ниво. Со комбинирање на компјутерското моделирање со експериментални мерења, може да се постигне поцелосно разбирање на хистерезисот.

8. Заклучок

Кривата на хистерезисната јамка е моќна алатка за карактеризирање на магнетните својства на материјалите. Таа обезбедува вредни информации за карактеристиките на реманенцијата, коерцитивноста и загубата на енергија, кои се неопходни за дизајнирање и оптимизација на магнетни уреди во различни области. Разјаснети се физичките механизми што лежат во основата на хистерезисната јамка, како што се движењето на ѕидот на доменот и ротацијата на магнетниот момент, а дискутирани се и факторите што влијаат на обликот и големината на хистерезисната јамка, вклучувајќи го составот на материјалот, температурата и големината на зрната. Примените на анализата на хистерезисната јамка во електротехниката, магнетното складирање и медицината го истакнуваат нејзиното практично значење. Неодамнешните достигнувања во наноскалната хистерезис, мултифероичните материјали и компјутерското моделирање нудат возбудливи идни насоки за истражување во проучувањето на хистерезисните јамки. Како што продолжуваат истражувањата во оваа област, можеме да очекуваме да видиме нови магнетни материјали и уреди со подобрени перформанси и нови функционалности.