Кіріспе

Сыртқы магнит өрісін ферромагнитке қолдану. Магниттік гистерезис темір сияқты ферромагнитке сыртқы магнит өрісі қолданылғанда және атомдық дипольдер оған бағытталғанда пайда болады. Өріс алынғаннан кейін де, бағытталғанның бір бөлігі сақталады: материал магниттелген. Магниттелгеннен кейін магнит белгісіз мерзімге дейін магниттелген күйде қалады. Оны магниттен тазарта түсу үшін жылу немесе кері бағытталған магнит өрісі қажет. Осы эффект қатты дискіде жадты сақтауға мүмкіндік береді. Мұндай материалдарда өріс күші H пен магниттелу M арасындағы байланыс сызықтық емес. Егер магнит магниттен тазартылса (H = M = 0) және H пен M арасындағы қатынас өріс күшінің артуымен сызылса, M бастапқы магниттелу қисығын ұстанады. Бұл қисық бастапқыда жылдам өседі, содан кейін магниттік қанығу деп аталатын асимптотаға жақындайды. Егер магнит өрісі біртекті түрде төмендетілсе, M басқа қисық бойынша өтеді. Өріс күші нөлге тең болғанда, магниттелу бастапқы нүктеден қалдық магниттелу деп аталатын шамаға қарай ығысады. Егер H пен M арасындағы қатынас қолданылатын магнит өрісінің барлық күштері үшін сызылса, нәтижесінде гистерезис шеңбері, яғни негізгі шеңбер пайда болады. H осі бойымен орталық бөлігінің ені материалдың коэрцитивтігінің екі есесіне тең. Магниттелу қисығын мұқият қарастырғанда, әдетте, магнетизациядағы Баркхаузен секірулері деп аталатын кішкентай, кездейсоқ секірулер тізбегі байқалады. Бұл эффект кристаллографиялық ақауларға, мысалы, дислокацияларға байланысты.

Физикалық шығу тегі

Ферромагниттік материалдардағы гистерезис құбылысы екі әсердің нәтижесі болып табылады: магниттелудің айналуы және магниттік домендердің мөлшері немесе санының өзгеруі. Жалпы алғанда, магниттелу магнит бойымен (бағыты бойынша, бірақ шамасы бойынша емес) өзгереді, бірақ жеткілікті кішкентай магниттерде ол өзгермейді. Осы бір доменді магниттерде магниттелу айналу арқылы магнит өрісіне жауап береді. Бір доменді магниттер күшті, тұрақты магниттелу қажет болатын жерлерде қолданылады (мысалы, магниттік жазуда). Үлкен магниттер домендер деп аталатын аймақтарға бөлінеді. Әрбір доменнің ішінде магниттелу өзгермейді; бірақ домендер арасында магниттелу бағыты бір доменнен екінші доменге айналатын салыстырмалы жұқа домен қабырғалары орналасқан. Егер магнит өрісі өзгерсе, қабырғалар жылжиды, домендердің салыстырмалы мөлшерін өзгертеді. Домендер бірдей бағытта магниттелмегендіктен, бірлік көлемдегі магниттік момент бір доменді магнитке қарағанда кішірек болады; бірақ домен қабырғалары магниттелудің шағын бөлігін ғана айналдырады, сондықтан магниттік моментті өзгерту әлдеқайда оңай. Магниттелу домендерді қосу немесе жою арқылы да өзгеруі мүмкін (бұл процестер нуклеация және денуклеация деп аталады).

Өлшем

Магниттік гистерезис әр түрлі жолдармен сипатталуы мүмкін. Жалпы, магниттік материал электромагнит арқылы тудырылған өзгермелі қолданылатын H өрісіне орналастырылады және нәтижесіндегі магниттік ағын тығыздығы (B өрісі) өлшенеді, әдетте үлгіге жақын орналасқан жинағыш катушкаға енгізілген индукциялық электр қозғалтқыш күші арқылы. Бұл сипаттамалық B H қисығын тудырады; гистерезис магниттік материалдың естелік әсерін көрсететіндіктен, B H қисығының пішіні H-дегі өзгерістер тарихына байланысты. Бұл екі қисық тікелей байланысты, себебі өлшеу магниттік материалдың магниттік схемаға орналасуына қарай жабық немесе ашық схема болуы мүмкін. Ашық схемалы өлшеу әдістерінде (мысалы, дірілдейтін үлгі магнитометрі) үлгі электромагниттің екі полюсі арасындағы бос кеңістікте ілінеді. Осының салдарынан магниттендірмейтін өріс пайда болады және магниттік материалдың ішкі H өрісі қолданылатын H өрісінен өзгеше болады. Магниттендірмейтін әсер түзетілгеннен кейін қалыпты B H қисығын алуға болады. Жабық схемалы өлшеулерде (мысалы, гистерезисграфта) үлгінің жалпақ беттері электромагниттің полюстеріне тікелей қысылады. Полюс беттері жоғары өткізгіш болғандықтан, бұл магниттендірмейтін өрісті жояды, сондықтан ішкі H өрісі қолданылатын H өрісіне тең. Қатты магниттік материалдарда (мысалы, синтезделген неодим магниттері) магниттеудің кері айналу процесінің егжей-тегжейлі микроскопиялық процесі магнит ашық схемада немесе жабық схемада орналасқандығына байланысты, себебі магниттің айналасындағы магниттік орта домендер арасындағы өзара әрекеттесуге осылайша әсер етеді, бұл қарапайым магниттендірмейтін коэффициентпен толыққандай түсіндірілмейді.

Модельдер

Гистерезистегі ең танымал эмпирикалық модельдер – Прейсак және Джайлс Атертон модельдері. Бұл модельдер гистерезистік циклді дәл модельдеуге мүмкіндік береді және өнеркәсіпте кеңінен қолданылады. Дегенмен, бұл модельдер термодинамикамен байланысын жоғалтады және энергияның сақталуы қамтамасыз етілмейді. Термодинамикалық негіздері тұрақтырақ жаңа модель – Lavet және авторлардың (2011) векторлық инкременттік консервативті емес консистентті гистерезис (VINCH) моделі. Ол кинематикалық қатаю заңдарымен және кері қайтарылмайтын процестердің термодинамикасынан шабыттандырылған. Атап айтқанда, дәл модельдеуді қамтамасыз етуден басқа, сақталған магниттік энергия мен таратылған энергия кез келген уақытта белгілі болады. Алынған инкременттік формула вариациялық тұрақты, яғни барлық ішкі айнымалылар термодинамикалық потенциалды минимумдаудан туындайды. Бұл векторлық модельді оңай алуға мүмкіндік береді, ал Прейсак және Джайлс Атертон модельдері негізінен скалярлық модельдер болып табылады. Стонер–Волфарт моделі – гистерезисті анизотроптық жауап арқылы түсіндіретін физикалық модель ("әр кристалл түйіршігінің оңай" / "қиын" осі). Микромагниттік симуляциялар көбінесе Ландау–Лифшиц–Гилберт теңдеуіне негізделген, өзара әрекеттесетін магниттік домендердің кеңістік және уақыт аспектілерін егжей-тегжейлі түсіндіруге және модельдеуге тырысады. Исинг моделі сияқты қарапайым модельдер гистерезистің сапалық және термодинамикалық аспектілерін түсіндіруге көмектеседі (мысалы, Кюри нүктесіндегі парамагниттік мінез-құлыққа фазалық өту), бірақ олар нақты магниттерді сипаттау үшін қолданылмайды.

Қолданбалар

Магниттік материалдардағы гистерезис теориясының қолданылу саласы өте кең. Олардың көптеген түрлері есте сақтау қабілетін пайдаланады, мысалы, магниттік таспалар, қатты дискілер және кредит карталары. Мұндай қолданыстарда темір сияқты қатты магниттер (жоғары коэрцитивтілік) қажет, себебі жад оңай жойылмайды. Трансформаторлар мен электромагниттерде жұмсақ магниттер (төмен коэрцитивтілік) өзек ретінде қолданылады. Магниттік моменттің магниттік өріске жауабы, оны орап тұрған катушканың реакциясын күшейтеді. Төмен коэрцитивтілік гистерезиске байланысты энергия жоғалтуды азайтады. Ғарыш дәуірінің басынан бері, магниттік гистерезис материалы (жұмсақ никель-темір таяқшалары) төмен Жер орбитасындағы спутниктердің бұрыштық қозғалысын баяулату үшін қолданылып келеді.