Магнитный гистерезис

модель намагниченности Теоретическая $m$ в зависимости от магнитного поля $h$ . Начиная с начала координат, восходящая кривая является *начальной намагничивания кривой* . Нисходящая кривая после насыщения вместе с нижней кривой доходности образует *основной цикл* . Перехваты $hc представляют$ и $mrs собой$ коэрцитивную *силу* и *остаточную намагниченность насыщения* .

Магнитный гистерезис внешнее магнитное поле прикладывается возникает, когда к ферромагнетику, например железу, , и атомные диполи выравниваются по нему. Даже если поле убрать, часть выравнивания сохранится: материал намагничен . После намагничивания магнит останется намагниченным на неопределенный срок. Для его размагничивания требуется тепло или магнитное поле противоположного направления. Именно этот эффект обеспечивает элемент памяти на жестком диске .

В таких материалах зависимость между напряженностью поля $H$ и намагниченностью $M$ не является линейной. Если магнит размагничен ( $H = M = 0$ ) и зависимость между $H$ и $M$ построена для увеличения уровня напряженности поля, $M$ следует начальной кривой намагничивания . Эта кривая сначала быстро растет, а затем приближается к асимптоте, называемой магнитным насыщением . Если магнитное поле теперь монотонно уменьшается, $M$ следует другой кривой. При нулевой напряженности поля намагниченность смещена от начала координат на величину, называемую остаточной намагниченностью . Если $зависимость H - M$ построить для всех сил приложенного магнитного поля, результатом будет петля гистерезиса, называемая основной петлей . Ширина среднего сечения по оси H в два раза превышает коэрцитивную силу материала. ^[1]^{: Глава 1}

Более пристальный взгляд на кривую намагничивания обычно обнаруживает серию небольших случайных скачков намагниченности, называемых скачками Баркгаузена . Этот эффект обусловлен кристаллографическими дефектами, такими как дислокации . ^[1]^{: Глава 15}

Петли магнитного гистерезиса характерны не только для материалов с ферромагнитным упорядочением. Другие магнитные упорядочения, такие как упорядочение спинового стекла , также демонстрируют это явление. ^[2]

Физическое происхождение

Явление гистерезиса в ферромагнитных материалах является результатом двух эффектов: вращения намагниченности и изменения размера или количества магнитных доменов . В общем, намагниченность меняется (по направлению, но не по величине) поперек магнита, но в достаточно маленьких магнитах это не так. В этих однодоменных магнитах намагниченность реагирует на магнитное поле вращением. Однодоменные магниты используются везде, где необходима сильная, стабильная намагниченность (например, магнитная запись ).

Большие магниты разделены на области, называемые доменами . Внутри каждого домена намагниченность не меняется; но между доменами имеются относительно тонкие доменные границы , в которых направление намагничивания вращается от направления одного домена к другому. Если магнитное поле меняется, стенки перемещаются, изменяя относительные размеры доменов. Поскольку домены намагничены в разных направлениях, магнитный момент на единицу объема меньше, чем он был бы в однодоменном магните; но доменные стенки включают в себя вращение лишь небольшой части намагниченности, поэтому изменить магнитный момент гораздо проще. Намагниченность также может меняться путем добавления или вычитания доменов (это называется зародышеобразованием и денуклеацией ).

Измерение

Магнитный гистерезис можно охарактеризовать по-разному. Как правило, магнитный материал помещается в изменяющееся приложенное $поле H$ , индуцированное электромагнитом, и результирующая плотность магнитного потока ( $поле B$ ) измеряется, как правило, с помощью индуктивной электродвижущей силы, приложенной к приемной катушке рядом с образцом. Это создает характеристическую $B - H$ кривую эффект памяти магнитного материала, форма $кривой B - H$ зависит от истории изменений $H.$ ; поскольку гистерезис указывает на

Альтернативно, гистерезис можно отобразить как намагниченность $M$ вместо $B$ , что даст $кривую M - H$ . Эти две кривые напрямую связаны, поскольку $B=\mu _{0}(H+M)$ .

Измерение может проводиться в замкнутой или разомкнутой цепи в зависимости от того, как магнитный материал помещен в магнитную цепь .

В методах измерения разомкнутой цепи (таких как магнитометр с вибрирующим образцом ) образец подвешивается в свободном пространстве между двумя полюсами электромагнита. Из-за этого размагничивающее поле развивается $, и внутреннее поле H$ магнитного материала отличается от приложенного $H$ . Нормальную кривую BH можно получить после коррекции эффекта размагничивания.
При измерениях с замкнутым контуром (таких как гистерезисграф) плоские поверхности образца прижимаются непосредственно к полюсам электромагнита. Поскольку поверхности полюсов обладают высокой проницаемостью, это устраняет размагничивающее поле, и поэтому внутреннее $поле H$ равно приложенному $H.$ полю

В случае магнитотвердых материалов (таких как спеченные неодимовые магниты ) подробный микроскопический процесс перемагничивания зависит от того, находится ли магнит в конфигурации разомкнутой или замкнутой цепи, поскольку магнитная среда вокруг магнита влияет на взаимодействие между доменами в способ, который не может быть полностью учтен простым коэффициентом размагничивания. ^[3]

Модели

Наиболее известными эмпирическими моделями гистерезиса являются модели Прейзаха и Джайлса-Атертона . Эти модели позволяют точно моделировать петлю гистерезиса и широко используются в промышленности.

Однако эти модели теряют связь с термодинамикой и не обеспечивают энергетическую состоятельность. Более поздняя модель с более последовательной термодинамической основой - это векторная модель инкрементного неконсервативного последовательного гистерезиса (VINCH), предложенная Лаветом и др. (2011). вдохновлен кинематическими законами закалки и термодинамикой необратимых процессов . ^[4] В частности, для обеспечения точного моделирования всегда известны запасенная магнитная энергия и рассеиваемая энергия. Полученная инкрементальная формулировка является вариационно состоятельной, т.е. все внутренние переменные следуют из минимизации термодинамического потенциала. Это позволяет легко получить векторную модель, тогда как Прейзах и Джайлс-Атертон являются по своей сути скалярными моделями.

Модель Стонера-Вольфарта представляет собой физическую модель, объясняющую гистерезис с точки зрения анизотропного отклика («легкие» / «жесткие» оси каждого кристаллического зерна).

Моделирование микромагнетизма пытается уловить и подробно объяснить пространственные и временные аспекты взаимодействующих магнитных доменов, часто на основе уравнения Ландау-Лифшица-Гилберта .

Игрушечные модели, такие как модель Изинга, могут помочь объяснить качественные и термодинамические аспекты гистерезиса (например, точки Кюри фазовый переход в парамагнитное поведение), хотя они не используются для описания реальных магнитов.

Приложения

Существует большое разнообразие приложений теории гистерезиса в магнитных материалах. Многие из них используют свою способность сохранять память, например, магнитная лента , жесткие диски и кредитные карты . В этих приложениях желательны твердые магниты (с высокой коэрцитивной силой), такие как железо , чтобы память было нелегко стереть.

Мягкие магниты (низкая коэрцитивность) используются в качестве сердечников в трансформаторах и электромагнитах . Реакция магнитного момента на магнитное поле усиливает реакцию обмотки, намотанной вокруг него. Низкая коэрцитивность уменьшает потери энергии, связанные с гистерезисом.

Материал магнитного гистерезиса (мягкие никель-железные стержни) использовался для гашения углового движения спутников на низкой околоземной орбите с самого начала космической эры. ^[5]

См. также

Размагничивание

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б Чикадзуми, Сошин (1997). Физика ферромагнетизма (2-е изд.). Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN 9780191569852 .
^ Моно, П.; Преджан, Джей Джей; Тиссье, Б. (1979). «Магнитный гистерезис CuMn в состоянии спинового стекла». Дж. Прил. Физ . 50 (B11): 7324. Бибкод : 1979JAP....50.7324M . дои : 10.1063/1.326943 .
^ Флиганс, Дж.; Тосони, О.; Демпси, Нью-Мексико; Делетт, Г. (2020). «Моделирование процессов размагничивания в постоянных магнитах, измеренных в геометрии замкнутого контура» (PDF) . Письма по прикладной физике . 116 (6): 062405. Бибкод : 2020ApPhL.116f2405F . дои : 10.1063/1.5134561 . ISSN 0003-6951 . S2CID 214353446 .
^ Франсуа-Лаве, В.; Анротт, Ф.; Стейнир, Л.; Ноэлс, Л.; Гезен, К. (2011). «Векторная инкрементальная неконсервативная модель последовательного гистерезиса» (PDF) . Материалы 5-й Международной конференции по передовым вычислительным методам в технике (ACOMEN2011) . стр. 10–. hdl : 2268/99208 . ISBN 978-2-9601143-1-7 .
^ Департамент космических аппаратов General Electric (16 ноября 1964 г.). Магнитное гистерезисное демпфирование вращательного движения спутника (PDF) (Технический отчет). Лаборатория вооружения ВМС США, Дальгрен, Вирджиния. 64СД4252. Архивировано из оригинала (PDF) 2 октября 2016 г. Проверено 1 октября 2016 г.

[Chikazumi-1] Перейти обратно: ^а ^б Чикадзуми, Сошин (1997). Физика ферромагнетизма (2-е изд.). Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN 9780191569852 .

[2] Моно, П.; Преджан, Джей Джей; Тиссье, Б. (1979). «Магнитный гистерезис CuMn в состоянии спинового стекла». Дж. Прил. Физ . 50 (B11): 7324. Бибкод : 1979JAP....50.7324M . дои : 10.1063/1.326943 .

[FliegansTosoni2020-3] Флиганс, Дж.; Тосони, О.; Демпси, Нью-Мексико; Делетт, Г. (2020). «Моделирование процессов размагничивания в постоянных магнитах, измеренных в геометрии замкнутого контура» (PDF) . Письма по прикладной физике . 116 (6): 062405. Бибкод : 2020ApPhL.116f2405F . дои : 10.1063/1.5134561 . ISSN 0003-6951 . S2CID 214353446 .

[4] Франсуа-Лаве, В.; Анротт, Ф.; Стейнир, Л.; Ноэлс, Л.; Гезен, К. (2011). «Векторная инкрементальная неконсервативная модель последовательного гистерезиса» (PDF) . Материалы 5-й Международной конференции по передовым вычислительным методам в технике (ACOMEN2011) . стр. 10–. hdl : 2268/99208 . ISBN 978-2-9601143-1-7 .

[5] Департамент космических аппаратов General Electric (16 ноября 1964 г.). Магнитное гистерезисное демпфирование вращательного движения спутника (PDF) (Технический отчет). Лаборатория вооружения ВМС США, Дальгрен, Вирджиния. 64СД4252. Архивировано из оригинала (PDF) 2 октября 2016 г. Проверено 1 октября 2016 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]