Что такое магнитный гистерезис

Магнитный гистерезис

Магнитный гистерезис— явление зависимостивектора намагничиванияи вектора магнитной индукции в веществе не только от приложенного внешнего поля, но и от истории данного образца. Магнитный гистерезис обычно проявляется вферромагнетиках—Fe,Co,Niи сплавах на их основе. Именно магнитным гистерезисом объясняется существованиепостоянных магнитов.

Теория явления гистерезиса учитывает конкретную магнитную доменную структуру образца и её изменения в ходе намагничивания и перемагничивания. Эти изменения обусловлены смещением доменных границ и ростом одних доменов за счёт других, а также вращением вектора намагниченности в доменах под действием внешнего магнитного поля. При полной ориентации всех доменов в направлении внешнего поля (ферромагнетик становится «однодоменным») достигается состояние насыщения. При выключении внешнего поля происходит некоторое уменьшение намагниченности вследствие теплового движения в кристалле, однако ферромагнетик остается намагниченным, так как при невысоких температурах энергия теплового движения сравнительно невелика и ее недостаточно для полной разориентации доменов.

Эти процессы требуют больших энергетических затрат и являются нелинейными. Кривая размагничивания ферромагнетика не совпадает с кривой намагничивания. Изменение намагниченности ферромагнетика (и индукции поля в нем) запаздывает по отношению к изменению напряженности внешнего поля. Это явление называется гистерезисом.При уменьшении напряженности внешнего поля до нуля, индукция поля в магнетике не равна нулю, ее величина называетсяостаточной индукциейВ_о. Чтобы полностью размагнитить магнетик, надо изменить направление внешнего поля на противоположное, и увеличивать его. При некотором значении напряженности «обратного» поля Н_с, называемомкоэрцитивной силой,магнетик полностью размагничивается. Замкнутая кривая, отражающая процесс перемагничивания ферромагнетиков, называетсяпетлей гистерезиса(рис.1).

Рис.1. Петля гистерезиса

На данном графике точки В и С характеризуют состояние насыщения. Величина остаточной индукции характеризуется отрезком B₀.

Коэрцитивная сила определяется точкой пересечения петли гистерезиса с осью напряженности магнитного поля. По величине коэрцитивной силы ферромагнетики разделяются на мягкие и жесткие магнитные материалы.

Жесткие ферромагнетики используются для постоянных магнитов, они имеют большую остаточную намагниченность и широкую петлю гистерезиса.

Мягкие ферромагнетики применяются в приборах и установках, работающих с переменными электромагнитными полями, где требуется частое перемагничивание при минимальных энергетических потерях (например, в сердечниках трансформаторов). Для них характерна небольшая остаточная намагниченность и узкая петля гистерезиса.

Описание установки

Опытная установка состоит из модуля ФПЭ-07, генератора сигналов ФГ-100 и осциллографа. Модуль содержит тороидальный трансформатор с исследуемым ферромагнитным сердечником в форме кольца, резисторы R_1, R₂и конденсатор С. С выхода генератора переменное напряжение через резисторR₁ подается на первичную обмотку трансформатора, а затем — на вход «Х» осциллографа. Напряженность магнитного поля, создаваемого током первичной обмотки, пропорциональна напряжению на нейU_x. С вторичной обмотки трансформатора через цепь, содержащую резисторR₂и конденсатор С, сигнал подается на вход «Y» осциллографа. Индукция магнитного поля, возникающего в ферромагнитном сердечнике, пропорциональна напряжению на вторичной обмотке трансформатораU_y.

Магнитный гистерезис.

Если предварительно размагниченный об­разец подвергнуть намагничиванию до состояния технического на­сыщения, то с увеличением напряженности магнитного поля H маг­нитная индукция В будет изменяться в соответствии с кривой ОАБ (См. рис.) и в точке А при Н = Hs достигнет значения индукции техни­ческого насыщения, или индукции насыщения Bs. Отре­зок АБ является безгистерезисной частью зависимости В(Н). При Уменьшении напряженности поля Н намагниченность образца уменьшается по кривой БАВ_r, и при H = 0 индукция В не будет равна нулю. Эта индукция называется остаточной и обозначается В_r, с ней связано существование постоянных магнитов.

Для достижения полного размагничивания образца к нему не­обходимо приложить поле определенной напряженности и проти­воположное по знаку. Напряженность такого поля называют коэр­цитивной силой Hс. При дальнейшем возрастании отрицательного поля индукция тоже становится отрицательной и в точке А’ при H =-H_S, достигает значения индукции технического насыщения (В = — Bs). После уменьшения отрицательного поля, а затем увели­чения положительного поля кривая перемагничивания опишет пет­лю, называемую предельной петлей магнитного гистерезиса, которая является важной технической характеристикой магнитных мате­риалов.

Таким образом, предельная петля магнитного гистерезиса — это кривая изменения магнитной индукции при изменении внешнего магнитного поля от +H, до -Н, и обратно. Пользуясь предельной петлей магнитного гистерезиса, можно определить основные пара­метры материала: коэрцитивную силу Hс, индукцию насыщения Bs, остаточную индукцию В_r и др. Площадь этой петли пропорциональ­на работе, затрачиваемой на перемагничивание образца за один цикл; она пропорциональна потерям на гистерезис Из рис. видно, что в координатах В(Н) при Н < Hs (или В < Bs) проявляется целое семейство петель магнитного гистерезиса, заклю­ченных одна в другую.

Поскольку ферримагнетики также обладают доменной структу­рой, поэтому рассмотренные процессы намагничивания и размаг­ничивания происходят в них аналогичным об­разом.

Коэрцитивная сила Hс является важной технической характери­стикой магнитных материалов и как магнитная проницаемость μ зависит от суммарной удельной поверхности зерен, магнитной ани­зотропии, магнитострикции, механических напряжений, наличия примеси и других дефектов. Чем больше размер зерна (меньше суммарная удельная поверхность зерен) и более совершенна структура кристаллической решетки (меньше дислокаций, внутренних напряжений, примесей и других дефектов), тем меньше Нс и больше μ, а материал соответст­венно легче намагничивается и перемагничивается.

По величине коэрцитивной силы магнитные материалы разделя­ют на магнитомягкие и магнитотвердые. Граница этого раздела по значению Нс условная. Материалы, у которых Нс < 4 кА/м, отно­сят к магнитомягким, у которых Нс >4 кА/м — к магнитотвердым. Для магнитомягких материалов характерным яв­ляется малое значение коэрцитивной силы; у промышленных образ­цов наименьшая Нс = 0,4 А/м. Это легко-намагничивающиеся материалы. Магнитомягкие материалы приме­няют в производстве сердечников, катушек индуктивности, реле, трансформаторов, электрических машин и т. п., работающих в по­стоянном и переменном магнитных полях.

Для магнитотвердых материалов характерным является широкая петля гистерезиса с большой коэрцитивной силой; у промышленных образцов наибольшая Нс ≈ 800 кА/м. Магнитная проницаемость μ у них меньше, чем у магнитомягких материалов. У магнитотвердых материалов большая максимальная удельная магнитная энергия W_M которая пропорциональна произведению наибольших значений В и H на кривой размагничивания. Применяют магнитотвердые материалы для производства постоянных магнитов, в элек­трических машинах малой мощности, для записи и хранения цифро­вой, звуковой и видеоинформации и др.

Потери на гистерезис связаны с явлением магнитного гистерезиса и с необратимым перемещением доменных границ.

Потери на вихревые токи обусловлены электрическими токами, которые индуцируют в материале магнитный поток.

Потери, вызванные магнитным после действием (магнитной вязкостью) это свойство магнитных материалов проявлять зависимость запаздывания изменения индукции, происходящее под действием изменяющегося магнитного поля, от длительности воздействия этого поля.

Механизм технического намагничивания. Магнитный гистерезис.

Процесс технического намагничивания магнитного материала сопровождается изменением его доменной структуры. В размагни­ченном образце направления спонтанной намагниченности доменов совпадают с осями легкого намагничивания. При приложении маг­нитного поля самым выгодным направлением технической намагни­ченности домена будет та его ось легкого намагничивания, которая составляет наименьший угол с направлением внешнего магнитного поля.

Основная кривая намагничивания. Важнейшей характеристикой Ферромагнетиков является основная кривая намагничивания, описы­вающая зависимость намагниченности М или магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н для предварительного раз­магниченного образца, а также зависимость магнитной проницаемо­сти μ от напряженности магнитного поля Н и предельная петля маг­нитного гистерезиса.

I участок — это область самых слабых магнитных полей (H —> 0) — характеризуется линейной зависимостью В от H и посто­янным значением μ. Процесс намагничивания на этом участке называют процессом об­ратимого смещения границ доменов. На этом участке суммарная на­магниченность образца становится отличной от нуля, и материал характеризуется начальной магнитной проницаемостью μ_н. После снятия внешнего магнит­ного поля границы доменов снова возвращаются в прежнее положение, поэтому остаточная намагниченность не возникает.

II участок — область слабых магнитных полей — характеризуется крутым подъемом В и μ при увеличении H. В конце этого участка магнитная проницаемость проходит через максимум и представляет собой максимальную магнитную проницаемость μ_м. Процесс намагничивания на этом участке называют процессом необратимого смещения границ доменов.

III участок — область средних полей — характеризуется неболь­шим увеличением В и значительным уменьшением μ. Процесс намагничивания на этом участке называют процес­сом вращения вектора намагниченности. В конце этого участка при H=Hs намагниченность М материала достигает значения намагни­ченности технического насыщения M_S (M -> M_S) или, можно сказать, что магнитная индукция В материала достигает значения индукции технического насыщения B_S(B -> B_S).

IV участок — область сильных магнитных полей — характеризу­ется незначительным возрастанием индукции В с увеличением на­пряженности магнитного поля H и приближением значения магнит­ной проницаемости μ к единице.

Магнитный гистерезис.

Если предварительно размагниченный об­разец подвергнуть намагничиванию до состояния технического на­сыщения, то с увеличением напряженности магнитного поля H маг­нитная индукция В будет изменяться в соответствии с кривой ОАБ (См. рис.) и в точке А при Н = Hs достигнет значения индукции техни­ческого насыщения, или индукции насыщения Bs. Отре­зок АБ является безгистерезисной частью зависимости В(Н). При Уменьшении напряженности поля Н намагниченность образца уменьшается по кривой БАВ_r, и при H = 0 индукция В не будет равна нулю. Эта индукция называется остаточной и обозначается В_r, с ней связано существование постоянных магнитов.

Для достижения полного размагничивания образца к нему не­обходимо приложить поле определенной напряженности и проти­воположное по знаку. Напряженность такого поля называют коэр­цитивной силой Hс. При дальнейшем возрастании отрицательного поля индукция тоже становится отрицательной и в точке А’ при H =-H_S, достигает значения индукции технического насыщения (В = — Bs). После уменьшения отрицательного поля, а затем увели­чения положительного поля кривая перемагничивания опишет пет­лю, называемую предельной петлей магнитного гистерезиса, которая является важной технической характеристикой магнитных мате­риалов.

Таким образом, предельная петля магнитного гистерезиса — это кривая изменения магнитной индукции при изменении внешнего магнитного поля от +H, до -Н, и обратно. Пользуясь предельной петлей магнитного гистерезиса, можно определить основные пара­метры материала: коэрцитивную силу Hс, индукцию насыщения Bs, остаточную индукцию В_r и др. Площадь этой петли пропорциональ­на работе, затрачиваемой на перемагничивание образца за один цикл; она пропорциональна потерям на гистерезис Из рис. видно, что в координатах В(Н) при Н < Hs (или В < Bs) проявляется целое семейство петель магнитного гистерезиса, заклю­ченных одна в другую.

Поскольку ферримагнетики также обладают доменной структу­рой, поэтому рассмотренные процессы намагничивания и размаг­ничивания происходят в них аналогичным об­разом.

Коэрцитивная сила Hс является важной технической характери­стикой магнитных материалов и как магнитная проницаемость μ зависит от суммарной удельной поверхности зерен, магнитной ани­зотропии, магнитострикции, механических напряжений, наличия примеси и других дефектов. Чем больше размер зерна (меньше суммарная удельная поверхность зерен) и более совершенна структура кристаллической решетки (меньше дислокаций, внутренних напряжений, примесей и других дефектов), тем меньше Нс и больше μ, а материал соответст­венно легче намагничивается и перемагничивается.

По величине коэрцитивной силы магнитные материалы разделя­ют на магнитомягкие и магнитотвердые. Граница этого раздела по значению Нс условная. Материалы, у которых Нс < 4 кА/м, отно­сят к магнитомягким, у которых Нс >4 кА/м — к магнитотвердым. Для магнитомягких материалов характерным яв­ляется малое значение коэрцитивной силы; у промышленных образ­цов наименьшая Нс = 0,4 А/м. Это легко-намагничивающиеся материалы. Магнитомягкие материалы приме­няют в производстве сердечников, катушек индуктивности, реле, трансформаторов, электрических машин и т. п., работающих в по­стоянном и переменном магнитных полях.

Для магнитотвердых материалов характерным является широкая петля гистерезиса с большой коэрцитивной силой; у промышленных образцов наибольшая Нс ≈ 800 кА/м. Магнитная проницаемость μ у них меньше, чем у магнитомягких материалов. У магнитотвердых материалов большая максимальная удельная магнитная энергия W_M которая пропорциональна произведению наибольших значений В и H на кривой размагничивания. Применяют магнитотвердые материалы для производства постоянных магнитов, в элек­трических машинах малой мощности, для записи и хранения цифро­вой, звуковой и видеоинформации и др.

Магнитный гистерезис

Магни́тный гистере́зис (от греч. ὑστέρησις – отставание, запаздывание), неоднозначная зависимость вектора намагниченности или вектора магнитной индукции магнитоупорядоченного вещества от вектора напряжённости внешнего магнитного поля .

Рис. 1. Механизм возникновения магнитного гистерезиса. Рис. 1. Механизм возникновения магнитного гистерезиса. В общем случае гистерезис – явление, заключающееся в том, что физическая величина, характеризующая состояние тела (например, намагниченность), неоднозначно зависит от физической величины, характеризующей внешние условия (например, от напряжённости магнитного поля). Причина явления состоит в том, что протекание процесса, в данном случае изменение намагниченности материала, происходит путём преодоления энергетического барьера с последующим беззатратным (произвольным) его течением. Рис. 1 (а, б) иллюстрирует механизм возникновения магнитного гистерезиса.

Рис. 2. Схема формирования петли гистерезиса. Рис. 2. Схема формирования петли гистерезиса. Магнитный гистерезис наблюдается в магнитоупорядоченных веществах, например в ферромагнетиках и ферримагнетиках , которые обычно разбиты на магнитные домены – области с одинаковым направлением вектора спонтанной (самопроизвольной) намагниченности M s \boldsymbol M_s M s ​ . Направление вектора намагниченности в различных доменах отличается. При действии внешнего магнитного поля напряжённостью H H H размер доменов, имеющих направление вектора намагниченности, близкое к направлению внешнего магнитного поля, увеличивается за счёт других доменов благодаря смещению границ между доменами. После того как домен занимает весь объём материала, начинается процесс вращения M \boldsymbol M M к направлению H . \boldsymbol H. H . В достаточно большом поле образец достигнет магнитного насыщения и будет представлять собой один домен с M , \boldsymbol M, M , параллельным H . \boldsymbol H. H . При уменьшении напряжённости внешнего магнитного поля значение намагниченности будет уменьшаться за счёт зарождения и роста доменов с направлением M , \boldsymbol M, M , близким к противоположному по сравнению с приложенным магнитным полем (рис. 2).

Рис. 3. Предельная и частные петли гистерезиса по индукции. Рис. 3. Предельная и частные петли гистерезиса по индукции. При нулевом внешнем магнитном поле из-за преодоления энергетических барьеров при движении доменной стенки возникает отставание изменения намагниченности от уменьшения поля (явление гистерезиса). Величина намагниченности (магнитной индукции) в нулевом поле носит название остаточной намагниченности M r M_r M r ​ (остаточной магнитной индукции B r ) . B_r). B r ​ ) . Её величина зависит в основном от наличия в магнетике магнитной текстуры , т. е. преимущественного направления осей лёгкого намагничивания вдоль силовых линий внешнего магнитного поля. Увеличение напряжённости поля, приложенного противоположно намагничивающему полю (отрицательного поля) приводит к уменьшению намагниченности. Магнитное поле, в котором намагниченность равна нулю, называют полем коэрцитивной силы H c . H_c. H c ​ . Последующее увеличение внешнего поля приводит к намагничиванию материала в противоположном (отрицательном) направлении до насыщения. При уменьшении отрицательного поля и приложении внешнего поля в положительном направлении до достижения состояния магнитного насыщения в этом направлении зависимость намагниченности от внешнего магнитного поля представляет собой замкнутую, как правило симметричную, петлю (т. н. петлю гистерезиса). Если при измерении петли гистерезиса ферромагнетика намагниченность не достигает насыщения, то петли гистерезиса будут внутренними, или частными (рис. 3).

Площадь петли гистерезиса характеризует энергетические затраты на процесс перемагничивания и зависит от физических свойств ферромагнетика и его металлографической структуры . Магнитомягкие материалы имеют узкую петлю гистерезиса, а магнитотвёрдые материалы – широкую. Коэрцитивная сила определяет ширину петли гистерезиса и, как следствие этого, область применения материала в технике. В зависимости от того, в каких координатах проводится измерение (намагниченность или магнитная индукция), различают коэрцитивную силу по намагниченности М H c _МH_c М ​ H c ​ и по индукции B H c . _BH_c. B ​ H c ​ . Коэрцитивная сила является структурно чувствительным параметром, т. е. зависит от металлографической структуры (морфологии фаз, количества и свойств дефектов кристаллической структуры).

Механизмы, определяющие величину коэрцитивной силы, или механизмы гистерезиса следующие:

• эффективность закрепления и, соответственно, трудность отрыва доменной стенки от места закрепления. Местом закрепления может быть градиент внутренних напряжений в материале или наличие в нём другой фазы. Закрепление доменной стенки будет наиболее эффективно в случае, когда ширина области градиента или диаметр другой фазы сравнимы по размеру;
• трудность образования в материале зародыша – области с направлением намагниченности, противоположным по отношению к направлению намагниченности во всём материале, или трудность роста такого зародыша. Как правило, образование зародыша происходит в месте дефекта кристаллической структуры ;
• трудность вращения вектора намагниченности в ферромагнетике, когда в нём по энергетическим причинам не может образоваться доменная стенка. Такой механизм реализуется в наноразмерных частицах , например, для железа критический размер однодоменности составляет 10–15 нм.

Технология производства магнитомягких материалов направлена на максимальное уменьшение ширины петли магнитного гистерезиса. Для сплавов типа пермаллой регулировкой химического состава добиваются минимизации констант магнитной кристаллической анизотропии и констант магнитострикции . Фактором, способствующим уменьшению магнитного гистерезиса, является исключение возникновения в материале внутренних напряжений, которые приводят к росту коэрцитивной силы и увеличению магнитного гистерезиса. Коэрцитивная сила магнитомягких материалов составляет от 0,8 до 8 А/м (от 0,01 до 0,1 Э).

Рис. 4. Петли гистерезиса по намагниченности и по индукции. Рис. 4. Петли гистерезиса по намагниченности и по индукции. Технология производства магнитотвёрдых материалов направлена на максимальное уширение петли магнитного гистерезиса. Для этих материалов свойственна существенная разница магнитного гистерезиса, измеренного по намагниченности и по индукции (рис. 4).

В отличие от магнитомягких материалов, в магнитотвёрдых сплавах для получения широкой петли магнитного гистерезиса используются все три механизма гистерезиса. В сплавах систем Fe-Co-Ni-Al-Ti \text Fe-Co-Ni-Al-Ti используют спинодальный распад пересыщенного твёрдого раствора для получения однодоменных удлинённых частиц. Сплавы на основе соединений редкоземельных металлов (РЗМ) с 3d- металлами (типа SmCo 5 \text_5 SmCo 5 ​ , Nd 2 Fe 14 B ) \text_2\text_\text) Nd 2 ​ Fe 14 ​ B ) измельчают, текстурируют в магнитном поле и спекают для реализации второго механизма гистерезиса. В сплавах системы Sm-Co-Fe-Cu-Zr \text Sm-Co-Fe-Cu-Zr используется механизм гистерезиса, связанный с закреплением доменной стенки на включениях фазы SmCo 5 . \text_5. SmCo 5 ​ . Значения B H c _BH_c B ​ H c ​ в этих материалах находятся в интервале 700–1400 Э (55–1200 кА/м), а M H с _MH_с M ​ H с ​ в материалах на основе соединений РЗМ достигают 4·10 4 Э (3200 кА/м).

Рис. 5. Петли гистерезиса удельной намагниченности для магнитотвёрдого материала. Рис. 5. Петли гистерезиса удельной намагниченности для магнитотвёрдого материала. На механизм гистерезиса кроме указанных факторов могут влиять особенности магнитного поведения конкретного материала. В магнитомягких материалах на основе Fe-Co-Ni \text Fe-Co-Ni (Fe \text <(Fe>(Fe -24,3; Co \text Co -26,0; Ni \text Ni -49,7 весовых %) наблюдается независимость магнитной проницаемости от величины напряжённости магнитного поля (в полях до 1–2 Э), вследствие чего петля гистерезиса приобретает характерную «перетянутую» форму с малым значением остаточной индукции и коэрцитивной силы. В магнитотвёрдом материале Nd 2 Fe 14 B \text_2\text_\text Nd 2 ​ Fe 14 ​ B при 130 К наблюдается спин-переориентационный фазовый переход , который также приводит к изменению петли гистерезиса. За счёт спин-переориентационного перехода в этом соединении при температурах ниже 130 К изменяются знаки констант магнитной кристаллической анизотропии, и происходит переход от оси лёгкого намагничивания к конусу осей лёгкого намагничивания, что приводит к уменьшению остаточной намагниченности и «прогибу» петли гистерезиса (рис. 5).

Гистерезисное поведение могут показывать и другие магнитные характеристики, например магнитострикция и магнитная восприимчивость .

Опубликовано 10 января 2023 г. в 23:57 (GMT+3). Последнее обновление 10 января 2023 г. в 23:57 (GMT+3). Связаться с редакцией