Hysteresis-luscurve
1. Inleiding
Magnetische materialen zijn alomtegenwoordig in de moderne technologie, variërend van eenvoudige koelkastmagneten tot complexe componenten in elektrische machines en dataopslagapparaten. Inzicht in de magnetische eigenschappen van deze materialen is essentieel voor het optimaliseren van hun prestaties. Een van de belangrijkste aspecten van magnetisch gedrag is hysterese, wat verwijst naar de naijling van de magnetische inductie (B) ten opzichte van de magnetiserende kracht (H) wanneer een magnetisch materiaal wordt blootgesteld aan een cyclisch magnetisch veld. De hysteresecurve is een grafische weergave van deze relatie tussen B en H en biedt een schat aan informatie over de magnetische eigenschappen van het materiaal.
2. Basisconcepten van magnetisme
2.1 Magnetisch veld en magnetiserende kracht (H)
Het magnetische veld is een gebied in de ruimte waar een magnetische kracht kan worden uitgeoefend op een magnetisch object. De magnetiserende kracht, aangeduid met H, is een maat voor de intensiteit van het magnetische veld. Deze wordt gedefinieerd als de kracht per lengte-eenheid die inwerkt op een magnetische pool die zich in het veld bevindt. De eenheid van H is ampère per meter (A/m). In een solenoïde kan de magnetiserende kracht worden berekend met de formule H = nI/l, waarbij n het aantal windingen per lengte-eenheid is, I de stroomsterkte door de solenoïde en l de lengte van de solenoïde.
2.2 Magnetische inductie (B)
Magnetische inductie, ook wel magnetische fluxdichtheid genoemd, is een maat voor de hoeveelheid magnetische flux die door een oppervlakte-eenheid loodrecht op de richting van het magnetische veld gaat. Deze is gerelateerd aan de magnetiserende kracht H door de vergelijking B = μH, waarbij μ de permeabiliteit van het materiaal is. Permeabiliteit is een maat voor hoe gemakkelijk een materiaal gemagnetiseerd kan worden. De eenheid van B is tesla (T), waarbij 1 T = 1 Wb/m² (weber per vierkante meter).
2.3 Magnetische domeinen
In een magnetisch materiaal hebben de atomen of moleculen kleine magnetische momenten. Deze magnetische momenten zijn gegroepeerd in gebieden die magnetische domeinen worden genoemd. In een ongemagnetiseerd materiaal zijn de magnetische domeinen willekeurig georiënteerd, waardoor hun netto magnetische effect elkaar opheft. Wanneer er een magnetiserende kracht wordt uitgeoefend, beginnen de magnetische domeinen zich in de richting van het veld uit te lijnen, wat resulteert in een netto magnetische inductie in het materiaal.
3. Constructie van de hysteresisluscurve
3.1 Initiële magnetisatiecurve
Wanneer een voorheen ongemagnetiseerd magnetisch materiaal wordt blootgesteld aan een toenemende magnetiserende kracht H, neemt de magnetische inductie B ook toe, maar niet lineair. Aanvankelijk is de toename van B relatief traag, aangezien de magnetische domeinen beginnen te roteren en zich met het veld uitlijnen. Naarmate H verder toeneemt, richten steeds meer domeinen zich uit en neemt B sneller toe. Uiteindelijk bereikt het materiaal een verzadigingstoestand, waarbij verdere toenames van H niet resulteren in een significante toename van B. Deze curve, die de relatie tussen B en H tijdens het initiële magnetisatieproces weergeeft, wordt de initiële magnetisatiecurve genoemd.
3.2 Remanentie
Zodra het materiaal verzadiging bereikt, en de magnetiserende kracht H geleidelijk tot nul afneemt, keert de magnetische inductie B niet terug naar nul. In plaats daarvan behoudt deze een bepaalde waarde, bekend als de remanente magnetische inductie of remanentie (Br). Dit komt doordat sommige magnetische domeinen uitgelijnd blijven, zelfs nadat de externe magnetiserende kracht is verwijderd.
3.3 Coërciviteit
Om de magnetische inductie B tot nul te reduceren, moet een tegengestelde magnetiserende kracht, de zogenaamde coërcitiekracht (Hc), worden toegepast. Coërcitie is een maat voor de weerstand van het materiaal tegen demagnetisatie. Materialen met een hoge coërcitie zijn moeilijk te demagnetiseren en staan bekend als harde magnetische materialen, terwijl materialen met een lage coërcitie gemakkelijk te demagnetiseren zijn en zacht magnetische materialen worden genoemd.
3.4 Omgekeerde verzadiging
Als de tegengestelde magnetiserende kracht verder wordt vergroot, bereikt het materiaal een omgekeerde verzadigingstoestand, waarbij de magnetische domeinen in de tegenovergestelde richting zijn uitgelijnd. De magnetische inductie B zal dan een negatieve waarde hebben die gelijk is aan de positieve verzadigingswaarde.
3.5 Voltooiing van de lus
Wanneer de magnetiserende kracht vervolgens weer tot nul wordt verlaagd en vervolgens weer in de oorspronkelijke richting toeneemt, volgt de magnetische inductie B een pad dat vergelijkbaar is met, maar niet identiek is aan, de oorspronkelijke magnetisatiecurve. De volledig gesloten curve die wordt verkregen door B tegen H uit te zetten tijdens dit cyclische proces, wordt de hystereselus genoemd.
4. Fysieke mechanismen die ten grondslag liggen aan hysterese
4.1 Domeinwandbeweging
Domeinwanden vormen de grenzen tussen aangrenzende magnetische domeinen. Wanneer een magnetiserende kracht wordt uitgeoefend, bewegen de domeinwanden en veranderen de grootte en oriëntatie van de domeinen. De beweging van de domeinwanden is echter geen wrijvingsloos proces. Er zijn verschillende obstakels in het materiaal, zoals onzuiverheden, defecten en korrelgrenzen, die de beweging van de domeinwanden belemmeren. Deze weerstand tegen de beweging van de domeinwanden draagt bij aan het hysterese-effect, omdat de domeinwanden niet direct reageren op veranderingen in de magnetiserende kracht.
4.2 Magnetische momentrotatie
Naast de beweging van de domeinwand kunnen de magnetische momenten binnen de domeinen ook roteren om zich aan te passen aan de magnetiserende kracht. De rotatie van magnetische momenten wordt ook belemmerd door interacties tussen aangrenzende momenten en het kristalrooster van het materiaal. Deze interacties zorgen ervoor dat de magnetische momenten achterlopen op de veranderingen in de magnetiserende kracht, wat verder bijdraagt aan het hysteresefenomeen.
5. Factoren die de hysteresislus beïnvloeden
5.1 Materiaalsamenstelling
Verschillende magnetische materialen hebben verschillende hysterese-luseigenschappen. Zo worden legeringen op ijzerbasis, zoals siliciumstaal, vaak gebruikt als zachtmagnetische materialen in transformatoren en motoren, omdat ze een lage coërciviteit en hoge permeabiliteit hebben. Zeldzame-aardemagneten zoals neodymium-ijzer-boor (NdFeB) en samarium-kobalt (SmCo) zijn daarentegen harde magnetische materialen met een hoge coërciviteit en remanentie, waardoor ze geschikt zijn voor toepassingen waar een sterk en permanent magnetisch veld vereist is, zoals in motoren van elektrische voertuigen en magnetische lagers.
5.2 Temperatuur
Temperatuur heeft een aanzienlijke invloed op de hystereselus van een magnetisch materiaal. Naarmate de temperatuur stijgt, nemen ook de thermische agitatie van de atomen en de magnetische momenten in het materiaal toe. Dit kan de uitlijning van de magnetische domeinen verstoren, waardoor de remanentie en coërciviteit van het materiaal afnemen. Bij een bepaalde kritische temperatuur, de zogenaamde Curietemperatuur, verliest het materiaal zijn ferromagnetische eigenschappen en wordt het paramagnetisch.
5.3 Korrelgrootte
De korrelgrootte van een magnetisch materiaal beïnvloedt ook de hystereselus. Materialen met kleinere korrelgroottes hebben over het algemeen een lagere coërciviteit. Dit komt doordat kleinere korrels minder domeinwanden hebben en de beweging van domeinwanden minder beperkt is in vergelijking met materialen met grotere korrels. Extreem kleine korrelgroottes kunnen echter andere effecten hebben, zoals een verhoogde oppervlakte-energie, die ook de magnetische eigenschappen kunnen beïnvloeden.
6. Toepassingen van hysteresislusanalyse
6.1 Elektrotechniek
In de elektrotechniek is hystereselusanalyse cruciaal voor het ontwerp en de selectie van magnetische materialen in transformatoren, inductoren en motoren. Zachte magnetische materialen met een laag hystereseverlies hebben voor deze toepassingen de voorkeur om het energieverbruik te minimaliseren. Door de hystereselus te analyseren, kunnen ingenieurs het juiste materiaal voor een specifieke toepassing bepalen op basis van de remanentie, coërciviteit en energieverlieskarakteristieken.
6.2 Magnetische opslag
Magnetische opslagapparaten, zoals harde schijven en magneetbanden, zijn afhankelijk van het vermogen om magnetische informatie op te slaan en op te halen. De hystereselus van het magnetische opslagmedium bepaalt het vermogen om gegevens te bewaren. Materialen met goed gedefinieerde en stabiele hystereselussen worden gebruikt om ervoor te zorgen dat de magnetische toestanden die binaire gegevens (nullen en enen) vertegenwoordigen, in de loop van de tijd betrouwbaar behouden blijven.
6.3 Geneeskunde
In de geneeskunde wordt hysterese-lusanalyse gebruikt in magnetische resonantiebeeldvorming (MRI). De magnetische eigenschappen van lichaamsweefsels kunnen worden bestudeerd door het hysteresegedrag van de waterstofkernen te analyseren in aanwezigheid van een sterk magnetisch veld. Daarnaast worden magnetische nanodeeltjes onderzocht voor gebruik bij gerichte medicijnafgifte en hyperthermiebehandeling, waarbij de hysterese-luskarakteristieken van de nanodeeltjes een cruciale rol spelen in hun prestaties.
7. Recente ontwikkelingen en toekomstige onderzoeksrichtingen
7.1 Nanoschaalhysterese
Met de ontwikkeling van nanotechnologie is er een groeiende belangstelling voor het bestuderen van het hysteresegedrag van magnetische materialen op nanoschaal. Magnetische deeltjes en dunne films op nanoschaal vertonen unieke hysterese-eigenschappen dankzij hun kleine formaat en hoge oppervlakte-volumeverhouding. Het begrijpen en beheersen van de hysterese op nanoschaal kan leiden tot de ontwikkeling van nieuwe magnetische apparaten met verbeterde prestaties, zoals magnetische opslag met hoge dichtheid en spintronische apparaten.
7.2 Multiferroïsche materialen
Multiferroïsche materialen zijn materialen die gelijktijdig ferromagnetische en ferro-elektrische eigenschappen vertonen. De koppeling tussen de magnetische en elektrische ordes in deze materialen leidt tot interessante hystereseverschijnselen. Onderzoek naar multiferroïsche materialen richt zich op het benutten van hun unieke eigenschappen voor toepassingen in nieuwe geheugenmodules, sensoren en actuatoren.
7.3 Computationele modellering
Computationele modelleringstechnieken, zoals basisprincipeberekeningen en micromagnetische simulaties, worden steeds belangrijker in de studie van hystereselussen. Deze methoden stellen onderzoekers in staat de magnetische eigenschappen van materialen te voorspellen en de onderliggende fysische mechanismen op microscopisch niveau te begrijpen. Door computationele modellering te combineren met experimentele metingen, kan een uitgebreider begrip van hysterese worden verkregen.
8. Conclusie
De hysterese-luscurve is een krachtig hulpmiddel voor het karakteriseren van de magnetische eigenschappen van materialen. Het biedt waardevolle informatie over remanentie, coërciviteit en energieverlieskarakteristieken, die essentieel zijn voor het ontwerp en de optimalisatie van magnetische apparaten in diverse vakgebieden. De fysische mechanismen die ten grondslag liggen aan hysterese, zoals domeinwandbeweging en magnetische momentrotatie, zijn opgehelderd en de factoren die de vorm en grootte van de hysterese-lus beïnvloeden, waaronder de materiaalsamenstelling, temperatuur en korrelgrootte, zijn besproken. De toepassingen van hysterese-lusanalyse in de elektrotechniek, magnetische opslag en geneeskunde benadrukken de praktische betekenis ervan. Recente ontwikkelingen in nanoschaalhysterese, multiferroïsche materialen en computationele modellering bieden interessante toekomstige onderzoeksrichtingen in de studie van hysterese-lussen. Naarmate het onderzoek op dit gebied voortduurt, kunnen we nieuwe magnetische materialen en apparaten verwachten met verbeterde prestaties en nieuwe functionaliteiten.
