Крива хистерезисног круга

1. Увод

Магнетни материјали су свеприсутни у модерној технологији, од једноставних магнета за фрижидер до сложених компоненти у електричним машинама и уређајима за складиштење података. Разумевање магнетних својстава ових материјала је неопходно за оптимизацију њихових перформанси. Један од кључних аспеката магнетног понашања је хистереза, која се односи на заостајање магнетне индукције (B) за силом магнетизације (H) када је магнетни материјал изложен цикличном магнетном пољу. Крива хистерезис петље је графички приказ овог односа између B и H и пружа мноштво информација о магнетним карактеристикама материјала.

2. Основни концепти магнетизма

2.1 Магнетно поље и сила магнетизације (H)

Магнетно поље је област у простору где магнетна сила може деловати на магнетни објекат. Сила магнетизације, означена као H, је мера интензитета магнетног поља. Дефинише се као сила по јединици дужине која делује на магнетни пол постављен у пољу. Јединица за H је ампер по метру (A/m). Код соленоида, сила магнетизације се може израчунати помоћу формуле H = nI/l, где је n број намотаја по јединици дужине, I је струја која тече кроз соленоид, а l је дужина соленоида.

2.2 Магнетна индукција (Б)

Магнетна индукција, такође позната као густина магнетног флукса, је мера количине магнетног флукса који пролази кроз јединицу површине нормално на смер магнетног поља. Повезана је са силом магнетизације H једначином B = μH, где је μ пермеабилност материјала. Пермеабилност је мера колико лако се материјал може магнетизовати. Јединица B је тесла (T), где је 1 T = 1 Wb/m² (вебер по квадратном метру).

2.3 Магнетни домени

У магнетном материјалу, атоми или молекули имају мале магнетне моменте. Ови магнетни моменти су груписани у регионе који се називају магнетни домени. У немагнетизованом материјалу, магнетни домени су насумично оријентисани, тако да се њихов нето магнетни ефекат поништава. Када се примени сила магнетизације, магнетни домени почињу да се поравнавају у правцу поља, што резултира нето магнетном индукцијом у материјалу.

3. Конструкција криве хистерезисног круга

3.1 Крива почетне магнетизације

Када се претходно немагнетизовани магнетни материјал изложи растућој сили магнетизације H, магнетна индукција B се такође повећава, али не линеарно. У почетку је повећање B релативно споро, јер магнетни домени почињу да се ротирају и поравнавају са пољем. Како H наставља да расте, све више домена се поравнује, а B расте брже. На крају, материјал достиже стање засићења, где даља повећања H не доводе до значајног повећања B. Ова крива, која приказује везу између B и H током почетног процеса магнетизације, назива се почетна крива магнетизације.

3.2 Реманенција

Када материјал достигне засићење, ако се сила магнетизације H постепено смањује на нулу, магнетна индукција B се не враћа на нулу. Уместо тога, она задржава одређену вредност, познату као реманентна магнетна индукција или реманенција (Br). То је зато што неки од магнетних домена остају поравнати чак и након што се спољна сила магнетизације уклони.

3.3 Присила

Да би се магнетна индукција B смањила на нулу, мора се применити супротна сила магнетизације, названа коерцитивна сила (Hc). Коерцитивност је мера отпора материјала на демагнетизацију. Материјали са високом коерцитивношћу се тешко демагнетизују и познати су као магнетни тврди материјали, док се они са ниском коерцитивношћу лако демагнетизују и називају се магнетни меки материјали.

3.4 Обрнута засићеност

Ако се супротна сила магнетизације додатно повећа, материјал ће достићи стање обрнуте засићености, где су магнетни домени поравнати у супротном смеру. Магнетна индукција B ће тада имати негативну вредност једнаку величини позитивној вредности засићења.

3.5 Завршетак петље

Када се сила магнетизације смањи назад на нулу и поново повећа у првобитном смеру, магнетна индукција B прати путању која је слична, али не и идентична почетној кривој магнетизације. Комплетна затворена крива добијена цртањем B у односу на H током овог цикличног процеса назива се хистерезисна петља.

4. Физички механизми који леже у основи хистерезиса

4.1 Кретање доменских зидова

Доменски зидови су границе између суседних магнетних домена. Када се примени сила магнетизације, домски зидови се померају како би променили величину и оријентацију домена. Међутим, кретање домских зидова није процес без трења. Постоје разне препреке унутар материјала, као што су нечистоће, дефекти и границе зрна, које ометају кретање доменских зидова. Овај отпор кретању доменских зидова доприноси ефекту хистерезиса, јер домски зидови не реагују одмах на промене у сили магнетизације.

4.2 Ротација магнетног момента

Поред кретања зидова домена, магнетни моменти унутар домена такође могу да се ротирају како би се поравнали са силом магнетизације. Ротацију магнетних момената такође отежавају интеракције између суседних момената и кристалне решетке материјала. Ове интеракције узрокују да магнетни моменти заостају за променама у сили магнетизације, што додатно доприноси феномену хистерезиса.

5. Фактори који утичу на хистерезисну петљу

5.1 Састав материјала

Различити магнетни материјали имају различите карактеристике хистерезисне петље. На пример, легуре на бази гвожђа, попут силицијумског челика, често се користе као меки магнетни материјали у трансформаторима и моторима јер имају ниску коерцитивност и високу пермеабилност. С друге стране, реткоземни магнети попут неодимијума-гвожђа-бора (NdFeB) и самаријума-кобалта (SmCo) су тврди магнетни материјали са високом коерцитивношћу и реманенцијом, што их чини погодним за примене где је потребно јако и стално магнетно поље, као што су мотори електричних возила и магнетни лежајеви.

5.2 Температура

Температура има значајан утицај на хистерезисну петљу магнетног материјала. Како се температура повећава, повећава се и термичко узбуђивање атома и магнетни моменти унутар материјала. Ово може пореметити поравнање магнетних домена, смањујући реманенцију и коерцитивност материјала. На одређеној критичној температури, названој Киријева температура, материјал губи своја феромагнетна својства и постаје парамагнетан.

5.3 Величина зрна

Величина зрна магнетног материјала такође утиче на његову хистерезисну петљу. Генерално, материјали са мањим величинама зрна имају тенденцију да имају мању коерцитивност. То је зато што мања зрна имају мање доменских зидова, а кретање доменских зидова је мање ограничено у поређењу са материјалима са већим зрнима. Међутим, изузетно мале величине зрна могу довести до других ефеката, као што је повећана површинска енергија, што такође може утицати на магнетна својства.

6. Примене анализе хистерезисних петљи

6.1 Електротехника

У електротехници, анализа хистерезисне петље је кључна за пројектовање и избор магнетних материјала у трансформаторима, индукторима и моторима. Меки магнетни материјали са малим губицима хистерезиса су пожељни за ове примене како би се минимизирала потрошња енергије. Анализом хистерезисне петље, инжењери могу да одреде одговарајући материјал за одређену примену на основу његове реманенције, коерцитивности и карактеристика губитка енергије.

6.2 Магнетно складиштење

Магнетни уређаји за складиштење, као што су хард дискови и магнетне траке, ослањају се на способност складиштења и преузимања магнетних информација. Хистерезисна петља магнетног медијума за снимање одређује његову способност задржавања података. Материјали са добро дефинисаним и стабилним хистерезисним петљама се користе како би се осигурало да се магнетна стања која представљају бинарне податке (0 и 1) поуздано одржавају током времена.

6.3 Медицина

У медицини, анализа хистерезисне петље се користи у магнетној резонанцији (МРИ). Магнетна својства ткива у телу могу се проучавати анализом хистерезисног понашања језгара водоника у присуству јаког магнетног поља. Поред тога, магнетне наночестице се истражују за употребу у циљаној испоруци лекова и лечењу хипертермије, где карактеристике хистерезисне петље наночестица играју кључну улогу у њиховим перформансама.

7. Недавна достигнућа и будући правци истраживања

7.1 Наноразмерна хистерезиса

Са развојем нанотехнологије, расте интересовање за проучавање хистерезисног понашања магнетних материјала на наноскали. Наноразмерне магнетне честице и танки филмови показују јединствене хистерезисне карактеристике због своје мале величине и високог односа површине и запремине. Разумевање и контрола хистерезиса на наноскали може довести до развоја нових магнетних уређаја са побољшаним перформансама, као што су магнетни уређаји за складиштење високе густине и спинтронски уређаји.

7.2 Мултифероични материјали

Мултифероични материјали су материјали који истовремено показују и феромагнетна и фероелектрична својства. Спрега између магнетног и електричног реда у овим материјалима доводи до занимљивих хистерезисних феномена. Истраживање мултифероичних материјала усмерено је на искоришћавање њихових јединствених својстава за примену у новим меморијским уређајима, сензорима и актуаторима.

7.3 Рачунарско моделирање

Технике рачунарског моделирања, као што су прорачуни првих принципа и микромагнетне симулације, постају све важније у проучавању хистерезисних петљи. Ове методе омогућавају истраживачима да предвиде магнетна својства материјала и разумеју основне физичке механизме на микроскопском нивоу. Комбиновањем рачунарског моделирања са експерименталним мерењима може се постићи свеобухватније разумевање хистерезиса.

8. Закључак

Крива хистерезисне петље је моћан алат за карактеризацију магнетних својстава материјала. Она пружа вредне информације о реманенцији, коерцитивности и карактеристикама губитка енергије, које су неопходне за пројектовање и оптимизацију магнетних уређаја у различитим областима. Разјашњени су физички механизми који леже у основи хистерезиса, као што су кретање зидова домена и ротација магнетног момента, а разматрани су и фактори који утичу на облик и величину хистерезисне петље, укључујући састав материјала, температуру и величину зрна. Примене анализе хистерезисне петље у електротехници, магнетном складиштењу и медицини истичу њен практични значај. Недавни напредак у наноразмерној хистерези, мултифероичним материјалима и рачунарском моделирању нуди узбудљиве будуће правце истраживања у проучавању хистерезисних петљи. Како се истраживања у овој области настављају, можемо очекивати нове магнетне материјале и уређаје са побољшаним перформансама и новим функционалностима.