Что такое петля ферромагнитного гистерезиса

12Теория ферромагнетизма.Петля гистерезиса.Коэрцитивная сила (поле), остаточное намагничение.

Вещества, способные сильно намагничиваться в магнитном поле, называются ферромагнетиками. Магнитная проницаемость ферромагнетиков по порядку величины лежит в пределах 102–105. Например, у стали μ ≈ 8000, у сплава железа с никелем магнитная проницаемость достигает значений 250000. К группе ферромагнетиков относятся четыре химических элемента: железо, никель, кобальт, гадолиний. Из них наибольшей магнитной проницаемостью обладает железо. Поэтому вся эта группа получила название ферромагнетиков. Ферромагнетиками могут быть различные сплавы, содержащие ферромагнитные элементы. Широкое применение в технике получили керамические ферромагнитные материалы – ферриты.Для каждого ферромагнетика существует определенная температура (так называемая температура или точка Кюри), выше которой ферромагнитные свойства исчезают, и вещество становится парамагнетиком. У железа, например, температура Кюри равна 770 °C, у кобальта 1130 °C, у никеля 360 °C. Ферромагнитные материалы делятся на две большие группы – на магнито-мягкие и магнито-жесткие материалы. Магнито-мягкие ферромагнитные материалы почти полностью размагничиваются, когда внешнее магнитное поле становится равным нулю. К магнито-мягким материалам относится, например, чистое железо, электротехническая сталь и некоторые сплавы.

Эти материалы применяются в приборах переменного тока, в которых происходит непрерывное перемагничивание, то есть изменение направления магнитного поля (трансформаторы, электродвигатели и т. п.). Магнито-жесткие материалы сохраняют в значительной мере свою намагниченность и после удаления их из магнитного поля. Примерами магнито-жестких материалов могут служить углеродистая сталь и ряд специальных сплавов. Магнито-жесткие метериалы используются в основном для изготовления постоянных магнитов. Магнитная проницаемость μ ферромагнетиков не является постоянной величиной; она сильно зависит от индукции B0 внешнего поля. Типичная зависимость μ (B0) приведена на рис. 4.19.2. В таблицах обычно приводятся значения максимальной магнитной проницаемости. 2

Рисунок 4.19.2. Типичная зависимость магнитной проницаемости ферромагнетика от индукции внешнего магнитного поля.

Непостоянство магнитной проницаемости приводит к сложной нелинейной зависимости индукции B магнитного поля в ферромагнетике от индукции B0 внешнего магнитного поля. Характерной особенностью процесса намагничивания ферромагнетиков является так называетмый гистерезис, то есть зависимость намагничивания от предыстории образца. Кривая намагничивания B (B0) ферромагнитного образца представляет собой петлю сложной формы, которая называется петлей гистерезиса (рис. 4.19.3.). 3

Рисунок 4.19.3. Петля гистерезиса ферромагнетика. Стрелками указано направление процессов намагничивания и размагничивания ферромагнитного образца при изменении индукции B0 внешнего магнитного поля.Из рис. 4.19.3 видно, что при наступает магнитное насыщение – намагниченность образца достигает максимального значения. Если теперь уменьшать магнитную индукцию B0 внешнего поля и довести ее вновь до нулевого значения, то ферромагнетик сохранит остаточную намагниченность – поле внутри образца будет равно Br. Остаточная намагниченность образцов позволяет создавать постоянные магниты. Для того, чтобы полностью размагнитить образец, необходимо, изменив знак внешнего поля, довести магнитную индукцию B0 до значения –B0c, которое принято называть коэрцитивной силой.

Далее процесс перемагничивания может быть продолжен, как это указано стрелками на рис. 4.19.3. У магнито-мягких материалов значения коэрцитивной силы B0c невелико – петля гистерезиса таких материалов достаточно «узкая». Материалы с большим значением коэрцитивной силы, то есть имеющие «широкую» петлю гистерезиса, относятся к магнито-жестким. Природа ферромагнетизма может быть до конца понята только на основе квантовых представлений. Качественно ферромагнетизм объясняется наличием собственных (спиновых) магнитных полей у электронов. В кристаллах ферромагнитных материалов возникают условия, при которых, вследствие сильного взаимодействия спиновых магнитных полей соседних электронов, энергетически выгодной становится их параллельная ориентация.

В результате такого взаимодействия внутри кристалла ферромагнетика возникают самопроизвольно намагниченные области размером порядка 10–2–10–4 см. Эти области называются доменами. Каждый домен представляет из себя небольшой постоянный магнит. В отсутствие внешнего магнитного поля направления векторов индукции магнитных полей в различных доменах ориентированы в большом кристалле хаотически. Такой кристалл в среднем окажется ненамагниченным. При наложении внешнего магнитного поля происходит смещение границ доменов так, что объем доменов, ориентированных по внешнему полю, увеличивается. С увеличением индукции внешнего поля возрастает магнитная индукция намагниченного вещества. В очень сильном внешнем поле домены, в которых собственное магнитное поле совпадает по направлению с внешним полем, поглощают все остальные домены, и наступает магнитное насыщение. Рис. 4.19.4 может служить качественной иллюстрацией процесса намагничивания ферромагнитного образца. 4

Рисунок 4.19.4. Намагничивание ферромагнитного образца. (1) B0 = 0; (2) B0 = B01; (3) B0 = B02 > B01.

3.2. Кривая намагничивания и петля гистерезиса

кривая намагничивания и петля гистерезиса показывают процесс изменения намагниченности ферромагнетиков. Кривая намагничивания (рис. 11) представляет собой графическое изображение зависимости (25)

Рис. 11. Кривая намагничивания и петля гистерезиса

схема снятия кривой намагничивания ферромагнитного стержня, помещенного в соленоид, по обмотке которого протекает электрический ток I, приведена на рис. 12, а. значение тока можно изменять реостатом R. Соленоид создает направленное по оси стержня поле в соответствии с формулой (15).

В начальный момент цепь тока I разомкнута, напряженность Н и намагниченность М стержня равны нулю, домены ориентированы произвольно и магнитный момент При замыкании цепи и постепенном увеличении тока от нуля растет напряженность Н. Границы между доменами перемещаются так, что объем доменов с ориентацией магнитных моментов по намагничивающему полю Н растет за счет доменов других направлений. Магнитная индукция в стержне формируется как сумма намагниченности М, т. е. индукции, создаваемой доменами, и напряженности внешнего магнитного поля (см. формулу (24)). зависимости μ₀Н, μ₀М и В = μ_аН изображены на рис. 12, б. Кривая М(Н) показывает, что намагниченность стержня вначале быстро увеличивается, а затем ее значение снижается до μ₀М_m – предельного. Составляющая μ₀Н изменяется пропорционально напряженности внешнего магнитного поля Н. Складывая ординаты кривых μ₀Н и μ₀М, получаем зависимость, изображаемую кривой

Рис. 12. Схема снятия кривой намагничивания и петли гистерезиса (а) и

зависимость магнитной индукции В и намагниченности М

от намагничивающего поля Н (б)

(см. рис. 12, б), называемойкривой первоначального намагничивания (КПН).

Кривая B =(см. рис. 12, б) нелинейна и может быть условно разделена на пять участков. Участок 1 соответствует упругому смещению границ между доменами. На участке 2 (область Релея) ориентация доменов в направлении внешнего поля скачкообразно изменяется и намагниченность ферромагнетика увеличивается. Участок 3 показывает необратимые смещения границ между доменами. Здесь магнитная проницаемость достигает максимального значения μ_max. В пределах участка 4 домены вырастают до максимально возможных размеров, и большинство атомных магнитных моментов во всем стержне оказывается выстроенным вдоль внешнего поля. Резервы роста внутреннего поля М за счет доменов исчерпаны, материал достигает состояния намагниченности насыщения М_s или технического насыщения, характеризуемого индукцией В_m и напряженностью Н_m. Увеличение Н > H_m на участке 5 уже не приводит к увеличению внутреннего поля М, индукция В возрастает только за счет увеличения Н. Здесь КПН становится линейной,

Рис. 13. зависимости μ и μ_диф от H

з-за нелинейного характера КПН(_а(Н)const)выделяют начальную и максимальную магнитную проницаемость (рис. 13), которая определяется как тангенс углов наклона касательных к кривой намагничивания в точках Н = 0 и Н = Н_m:;.

Используют также понятие дифференциальной магнитной проницаемости: (см. рис. 13).

Если напряженность Н уменьшать, поле В в стержне будет также уменьшаться, но не «вдоль» той кривой, по которой оно нарастало (см. рис. 11). Это явление называется магнитным гистерезисом (уменьшение В «запаздывает»). При Н = 0 индукция В в стержне не становится равной нулю, а принимает положительное значение В_r. Это значение индукции, которая «остается» в материале. Остаточной индукцией В_r(см. рис. 11) называют индукцию, которая остается в предварительно намагниченном до насыщения ферромагнетике после снятия намагничивающего поля. Если значение индукции велико, то материал может быть хорошим постоянныммагнитом. Чтобы размагнитить стержень, т. е. уменьшить В_r до нуля, необходимо изменить знак и увеличивать внешнее поле Н в обратном направлении до значения коэрцитивной силы Н_с, т. е. удерживающей намагниченность (см. рис. 11). Коэрцитивной силой Н_с называют величину размагничивающего поля, которое должно быть приложено, чтобы установить значение индукции в ферромагнетике, равное нулю.

Когда воздействующее поле совершает полный цикл изменения (от +Н_m до 0 и далее до –Н_m, а затем в обратную сторону до 0 и далее до +Н_m), магнитная индукция В изменяется по симметричной замкнутой кривой, называемой петлей гистерезиса. При совершении нескольких таких циклов перемагничивания петля принимает окончательную неизменяемую форму и называется предельной. Существуют также частные петли гистерезиса, получаемые при меньших, чем Н_m, значениях предельной напряженности поля. При несимметричном относительно нуля изменении значений напряженности поля, обычно в небольших пределах, но с сохранением знака, формируются несимметричные частные циклы.

Если время установления напряженности поля соизмеримо с временем перемагничивания материала, то определяемые в этом режиме характеристики называют динамическими. Основным влияющим фактором при этом являются вихревые токи. Они создают магнитное поле, направленное навстречу внешнему полю, уменьшающему магнитную индукцию. При увеличении частоты вихревые токи возрастают и кривая намагничивания снижается. Вихревые токи вызывают тепловые потери, что приводит к расширению петли гистерезиса. В связи с этим различаютстатическуюидинамическую петли гистерезиса. Статическую получают при очень медленном изменении Н, при котором допустимо пренебречь действием вихревых токов.при перемагничивании ферромагнетиков переменным полем Н, когда влияние вихревых токов становится значительным, получают динамическую петлю. Она может быть представлена как геометрическое место вершин частных динамических петель гистерезиса. Отношение индукции и напряженности по этой кривой называютдинамической магнитной проницаемостью_дин.

Значения дифференциальной магнитной проницаемости _d, получаемые по восходящей и нисходящей петлям гистерезиса, отличаются друг от друга.

Необходимо подчеркнуть, что отмеченные четыре параметра – остаточная индукция В_r, коэрцитивная сила Н_с, относительная магнитная проницаемость_ни_max– являются основными, по ним производят анализ и выбор магнитных материалов для решения различных задач, в том числе и дефектоскопических. Их значения приводятся в справочниках по магнитным материалам.

Рис. 14. Петли гистерезиса магнитомягких и

ем выше намагниченность материала при данном значении напряженности внешнего поля, тем выше его относительная проницаемость и индукция поля внутри материала. Проницаемость_начхарактеризует свойства материала в слабых магнитных полях. Если материал имеет узкую петлю (), более высокие значения_нач, то его относят к магнитомягким материалам (МММ) (рис. 14). Это незакаленные малоуглеродистые электротехнические стали и пермаллои – предельно магнитомягкие (Н_с1 А/м), преимущественно железоникелевые сплавы.

По значению Н_собычно судят о принадлежности ферромагнетиков к магнитотвердым материалам (Н_с10 3 А/м) (МТМ). Ширина петли магнитотвердых сталей в десятки, сотни раз превышает ширину петли гистерезиса магнитомягких. К ним относят закаленные высокоуглеродистые (инструментальные) легированные конструкционные стали, ферриты, а также сплавы для постоянных магнитов.

На подвижном составе железных дорог к магнитомягким материалам относят стали для изготовления ударно-тяговых механизмов, рам тележек, колесных пар и др., к магнитотвердым – стали роликов, внутренних и наружных колец буксовых подшипников, шарикоподшипниковые стали (ШХ9, ШХ15С и др.), рельсовые стали.

16.1.3 Ферромагнетизм. Петля гистерезиса

Особенностью ферромагнетиков является, во-первых, то, что явление намагничивания у них проявляется очень сильно (  1) при этом магнитная восприимчивость этих веществ не является константой, а сама зависит от величины напряжённости магнитного поля, то есть   (H). Во-вторых, графики зависимостей J(H) и B(H) ферромагнетиков имеют вид петли: образцы, как бы «помнят» свою «предысторию» (как они намагничивались ранее); соответствующая петля носит название петли гистерезиса (от английского history, история).

Е сли ненамагниченный ферромагнетик поместить в магнитное поле, напряжённость которого можно увеличивать, график зависимости J(H) будет иметь вид, представленный на рис. 16.4.а). На начальном участке происходит быстрое возрастание намагниченности, но затем, после прохождения участка максимальной крутизны, рост J замедляется и кривая выходит на насыщение. Для достижения насыщения требуются поля гораздо меньшие, чем в случае парамагнетика.

Похожий вид имеет график зависимости B(H) с той только разницей, что он не выходит на насыщение, а всё более приближается к наклонной прямой линии (рис. 16.4.б). Это и понятно: согласно определению  , или  ₀(  ), и, коль скоро J, выходя на насыщение, становится некоторой константой J_S, то график зависимости B  ₀(H  J_S) оказывается прямой линией, отсекающей по оси ординат отрезок B  ₀J_S и имеющей тангенс угла наклона к оси абсцисс, равный ₀.

На рис. 16.4.в) показан график зависимости от напряжённости магнитного поля для магнитной проницаемости вещества . Так как  ₀(  )  ₀(  )  ₀(1  )  ₀, то это означает, что максимуму графика зависимости (H) соответствует область с наибольшей крутизной прямой, проведённой из начала координат и являющейся при этом касательной к графику зависимости B(H).

Петля гистерезиса возникает, если по достижении насыщения (точка А на рис. 16.5.а) напряженность магнитного поля начать уменьшать. Окажется, что даже после того, как внешнее поле исчезнет, у образца сохранится остаточная намагниченность J_r, (точка B) для полного устранения которой необходимо поле c противоположным направлением вектора . Значение напряжённости, при котором намагниченность вновь станет равной нулю, носит название коэрцитивной силы и обозначается H_C (рис. 16.5.а, точка С). Очевидно, что коэрцитивная сила, как и напряжённость магнитного поля вообще, измеряется в амперах на метр.

Чем больше коэрцитивная сила, тем труднее перемагнитить образец. Вещества с большими значениями H_C (то есть с широкой петлёй гистерезиса) называются магнитожёсткими, из них изготавливаются постоянные магниты; а вещества, характеризующиеся малой коэрцитивной силой (с узкой петлёй гистерезиса) – магнитомягкими. Из последних изготавливают сердечники для трансформаторов: в переменном электрическом поле, при котором работают эти устройства, происходит периодическое перемагничивание сердечников, и чем труднее это делать, тем большая доля электрической энергии вместо преобразования будет расходоваться на их перемагничивание.

Если после достижения нулевой намагниченности напряжённость магнитного поля продолжать увеличивать по величине, то намагниченность вновь выйдет на насыщение (точка D), при этом направление вектора будет совпадать с направлением вектора . Затем напряжённость магнитного поля можно начать уменьшать, и при H  0 образец вновь станет иметь нулевую намагниченность (точка E). При H  H_C намагниченность вновь окажется равной нулю (точка F) и в дальнейшем кривая зависимости вновь выйдет на насыщение: петля ABCDEFA замкнётся.

Аналогичная ситуация имеет место и в случае графика зависимости B(H), отличие заключается лишь в том, что концы петли оказываются не горизонтальными, а асимптотически стремятся к наклонной прямой, которой в области больших напряжённостей поля характеризует связь B и H (рис. 16.5.б).

При первом намагничивании J можно не доводить до насыщения, тогда петля гистерезиса окажется меньше по размерам. Подобные петли называются частными. Пример системы частных петель, лежащих внутри полной петли для зависимости B(H) представлен на рис. 16.5.в).

Магнитная восприимчивость  ферромагнетика и связанная с ней магнитная проницаемость   1 +  в сильной мере зависят от Н: они максимальны в области, где график зависимости J(Н) возрастает наиболее быстро. Кроме того, так же, как и у парамагнетиков, магнитная восприимчивость ферромагнетиков зависит от температуры. Эта зависимость приблизительно передается законом Кюри – Вейса:

  , (16.3)

где T_С  температура Кюри, по достижению которой ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние; С₂  постоянная.

В отличие от диа- и парамагнетиков, магнитные свойства которых определяются поведением отдельных атомов или свободных электронов, характерной чертой ферромагнетиков является наличие в них областей самопроизвольного (спонтанного) намагничивания  доменов. Возникновение доменов в ферромагнетике обусловлено так называемым обменным взаимодействием электронов в атомах, которое имеет квантово-механическую природу. В результате этого взаимодействия собственные (спиновые) магнитные моменты электронов соседних атомов могут выстраиваться параллельно друг другу, и данный элемент объема вещества оказывается намагниченным до насыщения и приобретает отличный от нуля магнитный момент. Границы между доменами состоят из атомов, магнитные моменты которых образуют переходные области, постепенно меняя ориентацию от одного домена к другому. Характерные поперечные размеры доменов в железе, например, составляют 0,01 –0,1 мм, толщина доменных стенок (переходных областей)  около 0,0001 мм.

Ход кривой намагничивания ферромагнетика тесно связан с процессами, происходящими в доменах. Внутри каждого из них магнитные моменты электронов выстроены в одном направлении, однако магнитные моменты отдельных доменов имеют хаотическую ориентацию, при этом намагниченность магнетика равна нулю. Сказанное иллюстрируется рисунком 16.6, в верхней части которого изображены четыре домена, вектора намагниченности которых имеют разные направления, поэтому при H  0 сумма     0. Внесём такой объект в магнитное поле, напряженность которого можно менять. В области малых полей нарастание Н ведет к росту размеров тех доменов, направление вектора в которых составляет малые углы с вектором (на рис. 16.6.б) увеличивается до , увеличивается до , в то время, как и уменьшаются, соответственно, до и ). Увеличение размеров происходит путем перемещения границ доменов; в области малых полей процесс идет плавно, но затем (с ростом H) приобретает скачкообразный характер. При этом на кривой намагничивания появляются отдельные ступеньки (рис. 16.4.а); данное явление носит название эффекта Баркгаузена.

П ри дальнейшем увеличении напряжённости начинается разворот всех доменов по полю до тех пор, пока их магнитные моменты не станут параллельными вектору (на рис. 16.6.в) домены с и исчезли вовсе, а домены с и , ещё больше увеличившись в размерах и начав поворачиваться вдоль силовых линий приобрели магнитные моменты и ). После полного разворота доменов по полю намагничивание закончится, а намагниченность выходит на насыщение ( и на рис. 16.6.г).

Если напряженность магнитного поля начать снижать, то перечисленные процессы пойдут в обратном направлении: сначала нарушится ориентация доменов, а затем начнут возникать домены, намагниченные под разными углами к вектору . Границы новых доменов не совпадают с теми, которые были до намагничивания: разбиение на домены происходит «заново». Но даже при снижении напряжённости поля до нуля преимущественное направление у магнитных моментов доменов образца всё же сохранится. Возникает магнитный гистерезис: для размагничивания образца и полной разориентации доменов требуется создать поле H_C, силовые линии которого имеют направление, противоположное первоначальному. Возможные варианты направления векторов намагниченности отдельных доменов на разных стадиях изменения H показаны стрелочками на рис. 16.6.д).

Нагрев образца вносит хаос в ориентацию доменов. Если температура станет выше некоторого значения T_С, энергия тепловых колебаний атомов превысит энергию обменного взаимодействия. В этом случае домены «распадутся»: магнитная связь между атомами нарушится, каждый из них будет реагировать на воздействие внешнего поля самостоятельно, и ферромагнетик превратится в парамагнетик. Температура такого перехода и называется точкой Кюри.

В заключение следует отметить, что существует важный класс кристаллов, которые можно представить в виде двух вставленных друг в друга подрешеток с противоположно направленными магнитными моментами атомов, причём эти моменты в сумме не компенсируют друг друга. Соответствующие вещества носят название ферритов. Ферриты ведут себя подобно ферромагнетикам, однако, замечательной особенностью, обусловившей их широкое применение, является высокое электрическое сопротивление таких материалов. Сопротивление ферритов превышает сопротивление металлов — ферромагнетиков в 10 5 – 10 15 раз, что чрезвычайно важно при использовании этих материалов в диапазоне сверхвысоких частот (в СВЧ-диапазоне). В обычных ферромагнетиках на этих частотах возникают вихревые токи Фуко, которые резко снижают к. п. д. соответствующих устройств, разогревая их и выводя из строя. Ферритовые же сердечники, благодаря своему большому сопротивлению позволяют резко снизить тепловые потери: вихревые токи в них оказываются во много раз меньше. Общая химическая формула многих ферритов может быть записана в виде MeOFe₂O₃, где символ Me означает двухвалентный металл: Mg, Ni, Co, Cu и др.

Ферриты широко применяются при изготовлении магнитной ленты и дисков для аудио- и видеозаписывающих систем, элементов запоминающих устройств современных компьютеров. Присваивая положительному значению остаточной намагниченности J_r отдельного участка ленты или диска значение «1», а отрицательному – значение «0», на подобном носителе с помощью внешнего магнитного поля можно записывать и хранить информацию в двоичном коде.

Некоторые примеры

• Наличие у электронов собственного (спинового) момента импульса и связанного с ним магнитного момента объясняется в рамках релятивисткой квантовой механики. Таким образом, используя в повседневной жизни постоянные магниты, мы каждый раз сталкиваемся с объектами, понять природу которых можно, лишь зная квантовую механикуиспециальную теорию относительности.
• Управляя движением порошков, приготовленных на основе ферромагнитных частиц, можно шлифовать и полировать поверхности изделий, дробить мелкие объекты, смешивать сыпучие и жидкие материалы, перемещать введённые в их потоки объекты.
• Магнитное поле влияет на размеры ферромагнитного образца (например, на длину ферромагнитного стержня), поскольку при намагничивании происходит некоторое изменение расстояния между атомами. Образец может как расширяться, так и сжиматься – этот эффект используется для получения ультразвука.
• Долгое время считалось, что в кристаллической решетке ферромагнетика обязательно должны присутствовать атомы группы железа или редкоземельные элементы. В настоящее время, однако, уже синтезированы кристаллы на основе органических соединений, правда, их ферромагнитные свойства проявляются лишь при температуре ниже 1,5 К.
• Если ферромагнетик размельчить до частиц, имеющих размеры порядка одного домена (реально – несколько микрометров), а затем размешать полученный порошок в жидкости (воде, керосине, минеральном или силиконовом масле), получится магнитная жидкость, движением которой можно управлять, используя магнитное поле. Магнитным полем можно менять плотность и вязкость (вплоть до «затвердевания») такой жидкости, её оптическую прозрачность.

1. Объясните, чем обусловлено явление парамагнетизма.
2. Объясните, чем обусловлено явление диамагнетизма.
3. Что такое «домены» и какую роль они играют в формировании свойств ферромагнетика?
4. Начертите графики зависимости намагниченности от напряжённости магнитного поля для пара- и диамагнетиков. Чем отличаются эти графики?
5. Объясните, что называется петлёй гистерезиса, и какие физические процессы приводят к её возникновению.
6. Что называется остаточной индукцией, остаточной намагниченностью, коэрцитивной силой, и в каких единицах эти параметры измеряются в СИ?
7. Как изменение температуры влияет на магнитные свойства материалов?

Изучаем что такое магнитный гистерезис

Наличие магнитного гистерезиса характеризует свойства материалов, связанные с их намагничиванием или перемагничиванием. Применение этого явления широко распространено в различных электрических приборах. Понимание его природы позволяет использовать особенности взаимодействия различных веществ с внешним магнитным полем.

Что такое гистерезис

В науке иногда рассматривается переход определённой системы из одного состояния в другое, а затем — в обратном направлении. При этом следует заметить, что оба перехода не являются идентичными, различающимися лишь направлением. Такого рода процессы могут быть предметом изучения в физике, биологии, геологии, гидрологии и других сферах.

В качестве примера для пояснения смысла рассматриваемого понятия можно привести следующую ситуацию. Нужно взять металлический стержень, расположенный вертикально на прочной основе. Он является упругим. На стержень оказывается давление, направленное вертикально вниз. Это можно сделать, например, при помощи пресса.

При постепенном возрастании движения пресса сила упругости стержня будет увеличиваться. Но после достижения определённого предела она резко уменьшится. Далее могут произойти необратимые изменения. Если в этот момент приступить к постепенному ослаблению давления, то сначала упругость будет резко уменьшаться, а затем ее снижение станет происходить очень медленно. Описанный здесь процесс можно назвать гистерезисом.

Магнитный гистерезис

Магнитным гистерезисом называется явление, в котором проявляется зависимость вектора намагничивания и вектора магнитной индукции не только от изменений электромагнитного поля, но и от истории таких изменений. При этом обычно работа производится с ферромагнетиками (в их число, например, входят железо, кобальт, никель) или сплавами, сделанными на их основе.

Особенности протекания процесса определяются видом используемого материала и температурными условиями. Изучение магнитного гистерезиса помогает понять, в чем заключается это явление и более точно рассчитывать параметры влияния внешнего магнитного поля на намагничивание материала.

Используемые материалы разделяют на два типа: магнитомягкие и магнитотвёрдые. Если нарисовать график происходящих в них процессов, то ширина петли гистерезиса в первом случае будет относительно небольшой. Такие материалы, например, находят применение в трансформаторах, дросселях или электромагнитах.

Магнитотвёрдые материалы выгодно использовать там, где сохранение намагниченности играет более важную роль. Это относится к некоторым видам устройств компьютерной памяти, а также к постоянным магнитам. В рассматриваемом случае из-за инерционных процессов при намагничивании петля гистерезиса буде более широкой, чем у магнитомягких материалов.

Особенности процессов намагничивания и размагничивания

Явление магнитного гистерезиса можно объяснить следующим образом: намагниченность создаётся доменами, в которых элементы имеют одинаковую ориентацию. Они могут увеличиваться в размерах или образовываться, поглощая друг друга. При размагниченности происходят противоположные процессы, приводящие к уменьшению количества этих образований и их размеров. В ненамагниченном материале ориентация элементов является хаотичной, в результате чего напряжённость магнитного поля равна нулю.

При намагничивании вследствие роста доменов рано или поздно все атомы вещества становятся одинаково ориентированными. Магнитная напряжённость поля достигает максимального значения и больше увеличиваться не сможет. В этом случае говорят о достижении состояния насыщения.

Когда внешнее поле выключается, важную роль приобретает тепловое движение. Оно приводит к тому, что постепенно намагниченность будет уменьшаться. Скорость и интенсивность этого процесса будет тем меньше, чем ниже температура. Возможны ситуации, когда полное размагничивание становится невозможным.

В этом случае для завершения процесса к ферромагнетику потребуется приложить поле противоположной направленности. Гистерезис показывает, что кривая размагничивания не будет совпадать с той, которая относится к обратному процессу.

То, как определённые вещества реагируют на внешнее магнитное поле, определяется их магнитной проницаемостью. Таким образом, материалы можно разделить на следующие группы:

• У диамагнетиков магнитная проницаемость является незначительной. Это, например, относится к водороду, воде или меди.
• У парамагнетиков эта величина значительно больше, чем в первом случае. В качестве таких веществ рассматривают платину, кислород и эбонит.
• Максимальный уровень магнитной проницаемости имеют ферромагнетики, примером которых являются кобальт и железо.

Только в последней группе материалы сохраняют намагниченность после прекращения воздействия внешнего поля. При этом надо учитывать, что при нагреве ферромагнетика до определённой температуры его магнитные свойства полностью прекращают своё воздействие. Такая температура называется точкой Кюри. Для железа она составляет 770 градусов.

Степень намагниченности выражают через разность напряжённости внутреннего и внешнего магнитных полей. Эту величину также можно выразить с использованием магнитной проницаемости материала. В этом случае формула будет выглядеть так:

Пользуясь данной формулой, можно точно определить степень намагниченности материала.

Сегнетоэлектрический гистерезис

Магнитный сегнетоэлектрический гистерезис связан с намагниченностью материала, но при отсутствии воздействия внешнего магнитного поля. Нужный результат достигается путём помещения вещества в электрическое поле. Такой эффект достигается путём использования сегнетоэлектриков в определенном для каждого вещества температурном диапазоне.

На графике показана зависимость величины намагниченности от приложенного электрического поля. Справа на двух рисунках наглядно показано, как происходит ориентация доменов без воздействия поля и во время его.

Буквой «a» обозначена точка насыщения материала. P_С показывает остаточную намагниченность, когда внешнее электрическое поле имеет нулевую напряжённость. Точка пересечения верхней ветви графика с горизонтальной осью координат соответствует значению коэрцитивной силы.

Указанное явление активно применяется в электротехнике. Одним из примеров являются конденсаторы с изменяемой ёмкостью.