Curba buclei de histerezis

1. Introducere

Materialele magnetice sunt omniprezente în tehnologia modernă, de la simpli magneți de frigider la componente complexe din mașinile electrice și dispozitivele de stocare a datelor. Înțelegerea proprietăților magnetice ale acestor materiale este esențială pentru optimizarea performanței lor. Unul dintre aspectele cheie ale comportamentului magnetic este histerezisul, care se referă la întârzierea inducției magnetice (B) față de forța de magnetizare (H) atunci când un material magnetic este supus unui câmp magnetic ciclic. Curba buclei de histerezis este o reprezentare grafică a acestei relații dintre B și H și oferă o multitudine de informații despre caracteristicile magnetice ale materialului.

2. Concepte de bază ale magnetismului

2.1 Câmp magnetic și forță de magnetizare (H)

Câmpul magnetic este o regiune din spațiu în care o forță magnetică poate fi exercitată asupra unui obiect magnetic. Forța de magnetizare, notată cu H, este o măsură a intensității câmpului magnetic. Este definită ca forța pe unitatea de lungime care acționează asupra unui pol magnetic plasat în câmp. Unitatea de măsură pentru H este amperi pe metru (A/m). Într-un solenoid, forța de magnetizare poate fi calculată folosind formula H = nI/l, unde n este numărul de spire pe unitatea de lungime, I este curentul care curge prin solenoid, iar l este lungimea solenoidului.

2.2 Inducție magnetică (B)

Inducția magnetică, cunoscută și sub denumirea de densitate a fluxului magnetic, este o măsură a fluxului magnetic care trece printr-o unitate de suprafață perpendiculară pe direcția câmpului magnetic. Este legată de forța de magnetizare H prin ecuația B = μH, unde μ este permeabilitatea materialului. Permeabilitatea este o măsură a cât de ușor poate fi magnetizat un material. Unitatea de măsură pentru B este tesla (T), unde 1 T = 1 Wb/m² (weber pe metru pătrat).

2.3 Domenii magnetice

Într-un material magnetic, atomii sau moleculele au momente magnetice mici. Aceste momente magnetice sunt grupate în regiuni numite domenii magnetice. Într-un material nemagnetizat, domeniile magnetice sunt orientate aleatoriu, astfel încât efectul lor magnetic net se anulează. Când se aplică o forță de magnetizare, domeniile magnetice încep să se alinieze în direcția câmpului, rezultând o inducție magnetică netă în material.

3. Construcția curbei buclei de histerezis

3.1 Curba de magnetizare inițială

Când un material magnetic anterior nemagnetizat este supus unei forțe de magnetizare H crescătoare, inducția magnetică B crește și ea, dar nu într-un mod liniar. Inițial, creșterea lui B este relativ lentă, pe măsură ce domeniile magnetice încep să se rotească și să se alinieze cu câmpul. Pe măsură ce H continuă să crească, tot mai multe domenii se aliniază, iar B crește într-un ritm mai rapid. În cele din urmă, materialul ajunge la o stare de saturație, în care creșterile ulterioare ale lui H nu duc la o creștere semnificativă a lui B. Această curbă, care arată relația dintre B și H în timpul procesului inițial de magnetizare, se numește curba de magnetizare inițială.

3.2 Remanență

Odată ce materialul atinge saturația, dacă forța de magnetizare H scade treptat la zero, inducția magnetică B nu revine la zero. În schimb, își păstrează o anumită valoare, cunoscută sub numele de inducție magnetică remanentă sau remanență (Br). Acest lucru se datorează faptului că unele dintre domeniile magnetice rămân aliniate chiar și după ce forța de magnetizare externă este îndepărtată.

3.3 Coercitivitate

Pentru a reduce inducția magnetică B la zero, trebuie aplicată o forță de magnetizare opusă, numită forță coercitivă (Hc). Coercititatea este o măsură a rezistenței materialului la demagnetizare. Materialele cu coercitivitate ridicată sunt dificil de demagnetizat și sunt cunoscute sub numele de materiale magnetice dure, în timp ce cele cu coercitivitate scăzută sunt ușor de demagnetizat și sunt numite materiale magnetice moi.

3.4 Saturație inversă

Dacă forța de magnetizare opusă este crescută în continuare, materialul va ajunge la o stare de saturație inversă, în care domeniile magnetice sunt aliniate în direcția opusă. Inducția magnetică B va avea atunci o valoare negativă egală ca mărime cu valoarea de saturație pozitivă.

3.5 Finalizarea buclei

Când forța de magnetizare este apoi redusă la zero și crescută din nou în direcția inițială, inducția magnetică B urmează o traiectorie similară, dar nu identică, cu curba inițială de magnetizare. Curba complet închisă obținută prin reprezentarea grafică a lui B în funcție de H în timpul acestui proces ciclic se numește buclă de histerezis.

4. Mecanisme fizice care stau la baza histerezisului

4.1 Mișcarea peretelui domeniului

Pereții domeniilor sunt limitele dintre domeniile magnetice adiacente. Atunci când se aplică o forță de magnetizare, pereții domeniilor se mișcă pentru a schimba dimensiunea și orientarea domeniilor. Cu toate acestea, mișcarea pereților domeniilor nu este un proces fără frecare. Există diverse obstacole în interiorul materialului, cum ar fi impuritățile, defectele și limitele granulelor, care împiedică mișcarea pereților domeniilor. Această rezistență la mișcarea pereților domeniilor contribuie la efectul de histerezis, deoarece pereții domeniilor nu răspund imediat la modificările forței de magnetizare.

4.2 Moment magnetic de rotație

Pe lângă mișcarea pereților domeniilor, momentele magnetice din interiorul domeniilor se pot roti și ele pentru a se alinia cu forța de magnetizare. Rotația momentelor magnetice este, de asemenea, împiedicată de interacțiunile dintre momentele vecine și rețeaua cristalină a materialului. Aceste interacțiuni fac ca momentele magnetice să fie în urma modificărilor forței de magnetizare, contribuind în continuare la fenomenul de histerezis.

5. Factorii care afectează bucla de histerezis

5.1 Compoziția materialului

Diferite materiale magnetice au caracteristici diferite ale buclei de histerezis. De exemplu, aliajele pe bază de fier, cum ar fi oțelul siliciu, sunt utilizate în mod obișnuit ca materiale magnetice moi în transformatoare și motoare, deoarece au o coercitivitate scăzută și o permeabilitate ridicată. Pe de altă parte, magneții de pământuri rare, cum ar fi neodim-fier-bor (NdFeB) și samariu-cobalt (SmCo), sunt materiale magnetice dure cu coercitivitate și remanență ridicate, ceea ce le face potrivite pentru aplicații în care este necesar un câmp magnetic puternic și permanent, cum ar fi în motoarele vehiculelor electrice și lagărele magnetice.

5.2 Temperatură

Temperatura are un impact semnificativ asupra buclei de histerezis a unui material magnetic. Pe măsură ce temperatura crește, agitația termică a atomilor și momentele magnetice din interiorul materialului cresc, de asemenea. Acest lucru poate perturba alinierea domeniilor magnetice, reducând remanența și coercitivitatea materialului. La o anumită temperatură critică, numită temperatura Curie, materialul își pierde proprietățile feromagnetice și devine paramagnetic.

5.3 Dimensiunea granulelor

Dimensiunea granulelor unui material magnetic afectează, de asemenea, bucla sa de histerezis. În general, materialele cu granule mai mici tind să aibă o coercivitate mai mică. Acest lucru se datorează faptului că granulele mai mici au mai puțini pereți de domeniu, iar mișcarea pereților de domeniu este mai puțin restricționată în comparație cu materialele cu granule mai mari. Cu toate acestea, dimensiunile extrem de mici ale granulelor pot duce la alte efecte, cum ar fi creșterea energiei de suprafață, care poate influența, de asemenea, proprietățile magnetice.

6. Aplicații ale analizei buclelor de histerezis

6.1 Inginerie electrică

În ingineria electrică, analiza buclei de histerezis este crucială pentru proiectarea și selecția materialelor magnetice în transformatoare, inductoare și motoare. Materialele magnetice moi cu pierderi de histerezis reduse sunt preferate pentru aceste aplicații pentru a minimiza consumul de energie. Prin analiza buclei de histerezis, inginerii pot determina materialul potrivit pentru o anumită aplicație pe baza caracteristicilor sale de remanență, coercitivitate și pierdere de energie.

6.2 Stocare magnetică

Dispozitivele de stocare magnetică, cum ar fi unitățile de hard disk și benzile magnetice, se bazează pe capacitatea de a stoca și recupera informații magnetice. Bucla de histerezis a mediului de înregistrare magnetic determină capacitatea acestuia de a reține datele. Materialele cu bucle de histerezis bine definite și stabile sunt utilizate pentru a asigura menținerea fiabilă în timp a stărilor magnetice care reprezintă date binare (0 și 1).

6.3 Medicină

În medicină, analiza buclei de histerezis este utilizată în imagistica prin rezonanță magnetică (IRM). Proprietățile magnetice ale țesuturilor din organism pot fi studiate prin analizarea comportamentului de histerezis al nucleelor ​​de hidrogen în prezența unui câmp magnetic puternic. În plus, nanoparticulele magnetice sunt investigate pentru utilizarea în administrarea țintită a medicamentelor și tratamentul hipertermiei, unde caracteristicile buclei de histerezis ale nanoparticulelor joacă un rol crucial în performanța lor.

7. Progrese recente și direcții viitoare de cercetare

7.1 Histerezis la scară nanometrică

Odată cu dezvoltarea nanotehnologiei, a existat un interes tot mai mare pentru studierea comportamentului de histerezis al materialelor magnetice la nanoscală. Particulele magnetice și peliculele subțiri la nanoscală prezintă caracteristici unice de histerezis datorită dimensiunilor lor mici și raportului suprafață-volum ridicat. Înțelegerea și controlul histerezisului la nanoscală poate duce la dezvoltarea de noi dispozitive magnetice cu performanțe îmbunătățite, cum ar fi stocarea magnetică de înaltă densitate și dispozitivele spintronice.

7.2 Materiale multiferoice

Materialele multiferoice sunt materiale care prezintă simultan atât proprietăți feromagnetice, cât și feroelectrice. Cuplarea dintre ordinele magnetic și electric din aceste materiale dă naștere unor fenomene interesante de histerezis. Cercetarea în domeniul materialelor multiferoice se concentrează pe exploatarea proprietăților lor unice pentru aplicații în dispozitive de memorie, senzori și actuatoare noi.

7.3 Modelare computațională

Tehnicile de modelare computațională, cum ar fi calculele bazate pe principii fundamentale și simulările micromagnetice, devin din ce în ce mai importante în studiul buclelor de histerezis. Aceste metode permit cercetătorilor să prezică proprietățile magnetice ale materialelor și să înțeleagă mecanismele fizice care stau la baza acestora la nivel microscopic. Prin combinarea modelării computaționale cu măsurători experimentale, se poate obține o înțelegere mai cuprinzătoare a histerezisului.

8. Concluzie

Curba buclei de histerezis este un instrument puternic pentru caracterizarea proprietăților magnetice ale materialelor. Aceasta oferă informații valoroase despre remanență, coercitivitate și caracteristicile de pierdere de energie, care sunt esențiale pentru proiectarea și optimizarea dispozitivelor magnetice în diverse domenii. Mecanismele fizice care stau la baza histerezisului, cum ar fi mișcarea pereților domeniului și rotația momentului magnetic, au fost elucidate, iar factorii care afectează forma și dimensiunea buclei de histerezis, inclusiv compoziția materialului, temperatura și dimensiunea granulelor, au fost discutați. Aplicațiile analizei buclei de histerezis în ingineria electrică, stocarea magnetică și medicină evidențiază semnificația sa practică. Progresele recente în histerezisul la nanoscală, materialele multiferoice și modelarea computațională oferă direcții de cercetare viitoare interesante în studiul buclelor de histerezis. Pe măsură ce cercetarea în acest domeniu continuă, ne putem aștepta să vedem noi materiale și dispozitive magnetice cu performanțe îmbunătățite și funcționalități noi.