Введение

Приложение внешнего магнитного поля к ферромагнетику

Магнитная гистерезис возникает при приложении внешнего магнитного поля к ферромагнетику, такому как железо, когда атомные диполи выстраиваются в соответствии с ним. Даже после снятия поля часть выравнивания сохраняется: материал становится намагниченным. После намагничивания магнит остается намагниченным неопределенно долго. Для его размагничивания требуется нагрев или магнитное поле в противоположном направлении. Этот эффект обеспечивает элемент памяти в жестком диске. Связь между напряженностью магнитного поля H и намагниченностью M в таких материалах нелинейна. Если магнит размагничен (H = M = 0) и зависимость между H и M построена для возрастающих значений напряженности поля, M следует начальной кривой намагничивания. Эта кривая сначала быстро возрастает, а затем приближается к асимптоте, называемой магнитной насыщенностью. Если магнитное поле теперь уменьшается монотонно, M следует другой кривой. При нулевой напряженности поля намагниченность смещена от начала координат на величину, называемую остаточной намагниченностью. Если зависимость H-M построена для всех значений приложенного магнитного поля, то получается петля гистерезиса, называемая основной петлей. Ширина средней части вдоль оси H в два раза превышает коэрцитивную силу материала. Более детальное изучение кривой намагничивания обычно выявляет серию небольших, случайных скачков намагниченности, называемых скачками Баркхаузена. Этот эффект обусловлен кристаллографическими дефектами, такими как дислокации.

Физическое происхождение

Феномен гистерезиса в ферромагнитных материалах обусловлен двумя эффектами: вращением намагниченности и изменением размера или числа магнитных доменов. В общем случае, намагниченность изменяется (по направлению, но не по величине) внутри магнита, однако в достаточно малых магнитах это не происходит. В этих однодоменных магнитах намагниченность реагирует на магнитное поле вращением. Однодоменные магниты используются везде, где требуется сильная и стабильная намагниченность (например, в магнитной записи). Более крупные магниты разделены на области, называемые доменами. Внутри каждого домена намагниченность не изменяется, но между доменами расположены относительно тонкие доменные стенки, в которых направление намагниченности вращается от направления одного домена к другому. При изменении магнитного поля стенки перемещаются, изменяя относительные размеры доменов. Поскольку домены не намагничены в одном направлении, магнитный момент на единицу объема меньше, чем в однодоменном магните; однако доменные стенки включают в себя вращение лишь небольшой части намагниченности, поэтому изменить магнитный момент значительно проще. Намагниченность может также изменяться за счет добавления или исчезновения доменов (процессы, называемые нуклеацией и денуклеацией).

Измерение

Магнитный гистерезис можно охарактеризовать различными способами. В общем случае магнитный материал помещается в изменяющееся приложенное H-поле, создаваемое электромагнитом, и измеряется результирующая плотность магнитного потока (B-поле), как правило, с помощью индуктивной электродвижущей силы, наводимой в катушке подбора вблизи образца. Это приводит к характерной кривой B-H; поскольку гистерезис указывает на эффект памяти магнитного материала, форма кривой B-H зависит от истории изменения H. В качестве альтернативы гистерезис можно представить в виде графика зависимости намагниченности M от H, получив кривую M-H. Эти две кривые напрямую связаны, поскольку измерение может быть выполнено по разомкнутой или замкнутой магнитной цепи, в зависимости от того, как магнитный материал расположен в магнитной цепи. В методах измерения по разомкнутой цепи (таких как вибрирующий магнитометр) образец подвешивается в свободном пространстве между двумя полюсами электромагнита. Вследствие этого возникает размагничивающее поле, и внутреннее H-поле в магнитном материале отличается от приложенного H. Нормальную кривую B-H можно получить после коррекции размагничивающего эффекта. В измерениях по замкнутой цепи (например, с помощью гистерезиграфа) плоские поверхности образца прижимаются непосредственно к полюсам электромагнита. Поскольку поверхности полюсов обладают высокой проницаемостью, это устраняет размагничивающее поле, и, следовательно, внутреннее H-поле равно приложенному H-полю. При использовании твердых магнитных материалов (таких как спеченные неодимовые магниты) детальный микроскопический процесс перемагничивания зависит от того, находится ли магнит в конфигурации с разомкнутой или замкнутой цепью, поскольку магнитная среда вокруг магнита влияет на взаимодействие между доменами таким образом, который не может быть полностью описан простым коэффициентом размагничивания.

Модели

Наиболее известными эмпирическими моделями гистерезиса являются модели Прейсаха и Джайлса-Атертона. Эти модели позволяют точно моделировать петлю гистерезиса и широко используются в промышленности. Однако эти модели теряют связь с термодинамикой, и обеспечение энергетической согласованности не гарантируется. Более поздняя модель, обладающая более строгим термодинамическим обоснованием, – векторная инкрементальная неконсервативная согласованная модель гистерезиса (VINCH) Лавета и др. (2011 г.). Она вдохновлена законами кинематического упрочнения и термодинамикой необратимых процессов. В частности, помимо точного моделирования, в любой момент времени известна накопленная магнитная энергия и энергия диссипации. Полученная инкрементальная формулировка вариационно согласована, то есть все внутренние переменные определяются минимизацией термодинамического потенциала. Это позволяет легко получить векторную модель, в то время как модели Прейсаха и Джайлса-Атертона являются принципиально скалярными. Модель Стоунера-Волфарта – это физическая модель, объясняющая гистерезис с точки зрения анизотропного отклика ("легкие" / "трудные" оси каждого кристаллического зерна). Микромагнитное моделирование стремится зафиксировать и подробно объяснить пространственные и временные аспекты взаимодействия магнитных доменов, часто на основе уравнения Ландау-Лифшица-Гилберта. Упрощенные модели, такие как модель Изинга, могут помочь объяснить качественные и термодинамические аспекты гистерезиса (например, фазовый переход в точке Кюри к парамагнитному поведению), хотя они не используются для описания реальных магнитов.

Приложения

Существует большое разнообразие применений теории гистерезиса в магнитных материалах. Многие из них основаны на способности материалов сохранять информацию, например, в магнитных лентах, жестких дисках и кредитных картах. В этих приложениях предпочтительны твердые магниты (с высокой коэрцитивной силой), такие как железо, чтобы информация не стиралась легко. Мягкие магниты (с низкой коэрцитивной силой) используются в качестве сердечников в трансформаторах и электромагнитах. Реакция магнитного момента на магнитное поле усиливает отклик катушки, намотанной вокруг него. Низкая коэрцитивная сила снижает потери энергии, связанные с гистерезисом. Материалы с магнитным гистерезисом (стержни из мягкого никелевого железа) используются для гашения углового движения спутников на низкой околоземной орбите с начала космической эры.