Кривая петли гистерезиса

1. Введение

Магнитные материалы повсеместно используются в современных технологиях: от простых магнитов на холодильник до сложных компонентов электрических машин и устройств хранения данных. Понимание магнитных свойств этих материалов необходимо для оптимизации их характеристик. Одним из ключевых аспектов магнитного поведения является гистерезис, который означает отставание магнитной индукции (B) от намагничивающей силы (H) при воздействии на магнитный материал циклического магнитного поля. Петля гистерезиса графически отображает эту зависимость между B и H и предоставляет обширную информацию о магнитных характеристиках материала.

2. Основные понятия магнетизма

2.1 Магнитное поле и намагничивающее усилие (Н)

Магнитное поле – это область пространства, в которой магнитная сила может воздействовать на магнитный объект. Намагничивающее усилие, обозначаемое как H, является мерой напряжённости магнитного поля. Оно определяется как сила на единицу длины, действующая на магнитный полюс, помещённый в поле. Единицей измерения H является ампер на метр (А/м). В соленоиде намагничивающее усилие можно рассчитать по формуле H = nI/l, где n – число витков на единицу длины, I – сила тока, протекающего через соленоид, а l – длина соленоида.

2.2 Магнитная индукция (Б)

Магнитная индукция, также известная как плотность магнитного потока, — это мера величины магнитного потока, проходящего через единицу площади, перпендикулярной направлению магнитного поля. Она связана с намагничивающей силой H уравнением B = μH, где μ — магнитная проницаемость материала. Магнитная проницаемость — это мера того, насколько легко материал намагничивается. Единицей измерения B является тесла (Тл), где 1 Тл = 1 Вб/м² (вебер на квадратный метр).

2.3 Магнитные домены

В магнитном материале атомы или молекулы обладают небольшими магнитными моментами. Эти магнитные моменты группируются в области, называемые магнитными доменами. В ненамагниченном материале магнитные домены ориентированы хаотично, поэтому их суммарный магнитный эффект нейтрализуется. При приложении намагничивающей силы магнитные домены начинают выстраиваться в направлении поля, что приводит к возникновению суммарной магнитной индукции в материале.

3. Построение кривой петли гистерезиса

3.1 Начальная кривая намагничивания

Когда ранее ненамагниченный магнитный материал подвергается воздействию возрастающей намагничивающей силы H, магнитная индукция B также увеличивается, но не линейно. Вначале увеличение B происходит относительно медленно, поскольку магнитные домены начинают вращаться и выравниваться по полю. По мере увеличения H всё больше доменов выравниваются, и B увеличивается всё быстрее. В конце концов, материал достигает состояния насыщения, при котором дальнейшее увеличение H не приводит к значительному увеличению B. Эта кривая, показывающая соотношение между B и H в процессе начального намагничивания, называется кривой начального намагничивания.

3.2 Остаточная намагниченность

После достижения материалом насыщения, если намагничивающую силу H постепенно уменьшать до нуля, магнитная индукция B не возвращается к нулю. Вместо этого она сохраняет определённое значение, известное как остаточная магнитная индукция (Br). Это объясняется тем, что некоторые магнитные домены остаются выровненными даже после прекращения действия внешней намагничивающей силы.

3.3 Коэрцитивность

Чтобы уменьшить магнитную индукцию B до нуля, необходимо приложить противоположную намагничивающую силу, называемую коэрцитивной силой (Hc). Коэрцитивность — это мера сопротивления материала размагничиванию. Материалы с высокой коэрцитивной силой трудно размагничиваются и называются магнитожёсткими, а материалы с низкой коэрцитивной силой размагничиваются легко и называются магнитомягкими.

3.4 Обратное насыщение

При дальнейшем увеличении противоположной намагничивающей силы материал достигает состояния обратного насыщения, при котором магнитные домены выстраиваются в противоположных направлениях. В этом случае магнитная индукция B будет иметь отрицательное значение, равное по величине положительному значению насыщения.

3.5 Завершение цикла

Когда намагничивающую силу затем уменьшают до нуля и снова увеличивают в исходном направлении, магнитная индукция B следует по траектории, аналогичной, но не идентичной исходной кривой намагничивания. Полная замкнутая кривая, полученная путем построения графика зависимости B от H в ходе этого циклического процесса, называется петлей гистерезиса.

4. Физические механизмы, лежащие в основе гистерезиса

4.1 Движение доменной стенки

Доменные стенки представляют собой границы между соседними магнитными доменами. При приложении намагничивающей силы доменные стенки перемещаются, изменяя размер и ориентацию доменов. Однако движение доменных стенок не является процессом без трения. Внутри материала существуют различные препятствия, такие как примеси, дефекты и границы зерен, которые препятствуют движению доменных стенок. Это сопротивление движению доменных стенок способствует возникновению эффекта гистерезиса, поскольку доменные стенки не мгновенно реагируют на изменения намагничивающей силы.

4.2 Вращение магнитного момента

Помимо движения доменных стенок, магнитные моменты внутри доменов также могут вращаться, ориентируясь вдоль направления намагничивающей силы. Вращению магнитных моментов также препятствует взаимодействие соседних моментов с кристаллической решеткой материала. Это взаимодействие приводит к отставанию магнитных моментов от изменений намагничивающей силы, что дополнительно способствует возникновению явления гистерезиса.

5. Факторы, влияющие на петлю гистерезиса

5.1 Состав материала

Различные магнитные материалы обладают различными характеристиками петли гистерезиса. Например, сплавы на основе железа, такие как кремнистая сталь, широко используются в качестве магнитомягких материалов в трансформаторах и двигателях благодаря низкой коэрцитивной силе и высокой магнитной проницаемости. С другой стороны, редкоземельные магниты, такие как неодим-железо-бор (NdFeB) и самарий-кобальт (SmCo), являются магнитожёсткими материалами с высокой коэрцитивной силой и остаточной намагниченностью, что делает их пригодными для применений, где требуется сильное постоянное магнитное поле, например, в двигателях электромобилей и магнитных подшипниках.

5.2 Температура

Температура оказывает существенное влияние на петлю гистерезиса магнитного материала. С повышением температуры увеличивается тепловое возбуждение атомов и магнитных моментов внутри материала. Это может нарушить ориентацию магнитных доменов, снижая остаточную намагниченность и коэрцитивную силу материала. При достижении определённой критической температуры, называемой температурой Кюри, материал теряет свои ферромагнитные свойства и становится парамагнитным.

5.3 Размер зерна

Размер зерна магнитного материала также влияет на его петлю гистерезиса. Как правило, материалы с меньшим размером зерна обладают более низкой коэрцитивной силой. Это объясняется тем, что у более мелких зерен меньше доменных стенок, и их движение менее ограничено по сравнению с материалами с более крупными зернами. Однако крайне малый размер зерна может приводить к другим эффектам, таким как увеличение поверхностной энергии, что также может влиять на магнитные свойства.

6. Применение анализа петли гистерезиса

6.1 Электротехника

В электротехнике анализ петли гистерезиса имеет решающее значение для проектирования и выбора магнитных материалов для трансформаторов, индукторов и двигателей. Для минимизации энергопотребления в этих областях предпочтительны магнитомягкие материалы с низкими потерями на гистерезис. Анализ петли гистерезиса позволяет инженерам определить подходящий материал для конкретного применения, исходя из его остаточной намагниченности, коэрцитивной силы и характеристик потерь энергии.

6.2 Магнитное хранилище

Магнитные запоминающие устройства, такие как жёсткие диски и магнитные ленты, основаны на способности хранить и считывать магнитную информацию. Петля гистерезиса магнитного носителя определяет его способность сохранять данные. Материалы с чётко определёнными и стабильными петлями гистерезиса используются для обеспечения надёжного сохранения магнитных состояний, представляющих двоичные данные (нули и единицы), с течением времени.

6.3 Медицина

В медицине анализ петли гистерезиса используется в магнитно-резонансной томографии (МРТ). Магнитные свойства тканей организма можно изучать, анализируя гистерезисное поведение ядер водорода в сильном магнитном поле. Кроме того, исследуются возможности использования магнитных наночастиц для адресной доставки лекарств и лечения гипертермии, где характеристики петли гистерезиса наночастиц играют решающую роль в их работе.

7. Последние достижения и будущие направления исследований

7.1 Гистерезис в наномасштабе

С развитием нанотехнологий растёт интерес к изучению гистерезисного поведения магнитных материалов в наномасштабе. Магнитные частицы и тонкие плёнки в наномасштабе обладают уникальными гистерезисными характеристиками благодаря малому размеру и высокому отношению площади поверхности к объёму. Понимание и управление гистерезисом в наномасштабе может привести к разработке новых магнитных устройств с улучшенными характеристиками, таких как высокоплотные магнитные накопители и спинтронные устройства.

7.2 Мультиферроидные материалы

Мультиферроики – это материалы, обладающие одновременно ферромагнитными и сегнетоэлектрическими свойствами. Связь между магнитным и электрическим порядками в этих материалах приводит к интересным явлениям гистерезиса. Исследования мультиферроиков направлены на использование их уникальных свойств для создания новых устройств памяти, датчиков и исполнительных механизмов.

7.3 Компьютерное моделирование

Методы компьютерного моделирования, такие как расчёты из первых принципов и микромагнитное моделирование, приобретают всё большую значимость в изучении петель гистерезиса. Эти методы позволяют исследователям прогнозировать магнитные свойства материалов и понимать лежащие в их основе физические механизмы на микроскопическом уровне. Сочетание компьютерного моделирования с экспериментальными измерениями позволяет достичь более полного понимания гистерезиса.

8. Заключение

Кривая петли гистерезиса – мощный инструмент для характеристики магнитных свойств материалов. Она предоставляет ценную информацию об остаточной намагниченности, коэрцитивной силе и характеристиках потерь энергии, которые необходимы для проектирования и оптимизации магнитных устройств в различных областях. Были выяснены физические механизмы, лежащие в основе гистерезиса, такие как движение доменных стенок и вращение магнитного момента, а также рассмотрены факторы, влияющие на форму и размер петли гистерезиса, включая состав материала, температуру и размер зерна. Применение анализа петли гистерезиса в электротехнике, магнитных накопителях и медицине подчеркивает его практическую значимость. Недавние достижения в области наномасштабного гистерезиса, мультиферроидных материалов и компьютерного моделирования открывают перспективные направления для будущих исследований петель гистерезиса. По мере продолжения исследований в этой области можно ожидать появления новых магнитных материалов и устройств с улучшенными характеристиками и новыми функциональными возможностями.