Что такое магнитный гистерезис в ферромагнетиках. Каковы основные характеристики петли гистерезиса. Как используется явление гистерезиса на практике. Какие современные исследования проводятся в этой области.
Что такое магнитный гистерезис и как он проявляется в ферромагнетиках
Магнитный гистерезис — это явление, наблюдаемое в ферромагнитных материалах, при котором намагниченность вещества отстает от изменений внешнего магнитного поля. Данный эффект проявляется в виде характерной петлеобразной кривой зависимости магнитной индукции B от напряженности магнитного поля H.
Основные особенности магнитного гистерезиса в ферромагнетиках:
- Нелинейная зависимость B от H
- Наличие остаточной намагниченности при H = 0
- Необходимость приложения коэрцитивной силы для размагничивания
- Замкнутая петлеобразная форма кривой намагничивания
Как проявляется гистерезис в ферромагнетике? При воздействии внешнего магнитного поля домены ферромагнетика ориентируются вдоль поля, создавая собственную намагниченность. При снятии поля часть доменов сохраняет ориентацию, обуславливая остаточную намагниченность. Для полного размагничивания требуется приложить поле противоположного направления.
Основные характеристики и параметры петли гистерезиса
Петля гистерезиса является ключевой характеристикой ферромагнитных материалов. Ее форма и параметры позволяют судить о магнитных свойствах вещества.
Основные характеристики петли гистерезиса:
- Остаточная индукция Br — значение B при H = 0
- Коэрцитивная сила Hc — значение H, необходимое для полного размагничивания
- Индукция насыщения Bs — максимальное значение B
- Площадь петли — характеризует потери на перемагничивание
Как определяются эти параметры? Остаточная индукция измеряется на пересечении петли с осью B. Коэрцитивная сила — на пересечении с осью H. Индукция насыщения соответствует участку выхода кривой на горизонтальный участок. Площадь петли вычисляется интегрированием.
Практическое применение явления гистерезиса в технике и электронике
Явление магнитного гистерезиса нашло широкое применение в различных областях техники и электроники:
- Устройства памяти (магнитные ленты, жесткие диски)
- Трансформаторы и электрические машины
- Датчики магнитного поля
- Системы магнитной записи информации
- Постоянные магниты
Как используется гистерезис в этих устройствах? В устройствах памяти остаточная намагниченность позволяет хранить информацию. В трансформаторах учитываются потери на гистерезис. Датчики используют изменение магнитных свойств для детектирования полей. Магнитная запись основана на перемагничивании доменов носителя.
Современные исследования гистерезиса в наноструктурах и тонких пленках
В последние годы активно изучаются особенности гистерезиса в наноразмерных магнитных структурах и тонких пленках. Ученые исследуют:
- Влияние размерных эффектов на параметры петли гистерезиса
- Особенности перемагничивания наночастиц
- Гистерезис в многослойных магнитных структурах
- Управление магнитными свойствами наноструктур
Какие результаты получены? Обнаружено, что при уменьшении размеров частиц до нанометрового диапазона существенно меняются их магнитные свойства. В многослойных структурах наблюдаются эффекты обменного взаимодействия между слоями. Разрабатываются методы прецизионного контроля намагниченности наноструктур.
Методы исследования и измерения параметров гистерезиса
Для изучения магнитного гистерезиса применяются различные экспериментальные методы:
- Вибрационная магнитометрия
- Сквид-магнитометрия
- Магнитооптические методы
- Методы ферромагнитного резонанса
- Методы магнитно-силовой микроскопии
Как работают эти методы? Вибрационный магнитометр измеряет изменение магнитного потока от образца при его колебаниях. Сквид-магнитометр использует сверхпроводящий квантовый интерферометр для детектирования слабых полей. Магнитооптические методы основаны на изменении поляризации света при отражении от намагниченного образца.
Влияние внешних факторов на характеристики магнитного гистерезиса
На параметры петли гистерезиса ферромагнетиков оказывают влияние различные внешние факторы:
- Температура
- Механические напряжения
- Частота перемагничивания
- Форма образца
- Структурные дефекты
Как проявляется это влияние? С повышением температуры уменьшаются коэрцитивная сила и остаточная индукция. Механические напряжения могут вызывать магнитострикционные эффекты. При высоких частотах возрастают потери на вихревые токи. Форма образца влияет на размагничивающий фактор. Дефекты кристаллической решетки затрудняют движение доменных стенок.
Математическое описание и моделирование процессов гистерезиса
- Модель Прейзаха
- Модель Джилса-Атертона
- Феноменологическая модель Стонера-Вольфарта
- Микромагнитные модели
Как работают эти модели? Модель Прейзаха представляет гистерезис как суперпозицию элементарных прямоугольных петель. Модель Джилса-Атертона основана на энергетическом подходе к описанию движения доменных стенок. Модель Стонера-Вольфарта рассматривает когерентное вращение намагниченности однодоменных частиц. Микромагнитные модели решают уравнение Ландау-Лифшица-Гильберта для распределения намагниченности.
Эти модели позволяют прогнозировать поведение магнитных материалов в различных условиях и оптимизировать их характеристики для практических применений. Актуальной задачей остается разработка универсальных моделей, способных описывать гистерезис в широком диапазоне материалов и условий.
ЯВление гистерезиса в ферромагнетиках
Цель работы:
1) изучить процесс намагничивания ферромагнетиков с помощью осциллографа;
2) рассчитать остаточную индукцию и коэрцитивную силу.
7.1. Сведения из теории
Любое вещество под действием магнитного поля намагничивается, т. е. создает собственное магнитное поле. Магнитная проницаемость среды μ показывает, во сколько раз модуль индукции магнитного поля в среде B отличается от модуля индукции намагничивающего поля B0:
, (7.1)
где H – напряженность магнитного поля.
Сложная зависимость магнитной индукции В от напряженности Н, периодически меняющейся со временем, называется магнитным гистерезисом. Если не намагниченный ферромагнетик поместить в постепенно увеличивающееся магнитное поле, то магнитная индукция
увеличивается с
ростом Н нелинейно (участок ОА – основная кривая
намагничивания), так как зависит от Н (см.
рис. 7.1). При дальнейшем увеличении Н зависимость В от Н становится
линейной (отрезок АС), так как здесь = const
(насыщение ферромагнетика), и В возрастает теперь только за счет
увеличения внешнего намагничивающего
поля. При уменьшении внешнего поля
кривая размагничивания опишется отрезком
АD.
Величина Вr = ОD
(при Н =
0) называется остаточной индукцией,
т. е. ферромагнетик остается
намагниченным при отсутствии внешнего
магнитного поля. Для уничтожения
остаточной индукции (размагничивания
ферромагнетика) необходимо приложить
внешнее магнитное поле, имеющее
направление, противоположное направлению
внешнего магнитного поля, вызвавшего
намагничивание.
Когда напряженность внешнего магнитного
поля достигает значения Нс, ферромагнетик
полностью размагничен. Величина Нс
называется коэрцитивной силой. При
дальнейшем увеличении Н вновь достигается
насыщение. Если затем вновь уменьшать
внешнее магнитное поле и вновь изменять
его направление на противоположное, то
получится петлеобразная кривая – петля
гистерезиса (см.
7.2. Описание лабораторной установки
Лабораторная установка состоит из генератора переменного напряжения ЗГ, осциллографа и блока, содержащего трансформатор с ферромагнитным сердечником и интегрирующую цепочку R5C4 . Из-за сложности схемы заранее произведена коммутация приборов соединительными проводами. На экране осциллографа получается изображение петли гистерезиса в ферромагнетиках.
Модуль напряженности намагничивающего поля определяется по формуле:
, (7.2)
где – постоянная, определяемая параметрами установки,
; (7.3)
Х – координата луча на горизонтальной
оси ОХ экрана осциллографа при условии,
что начало координат находится в центре
петли гистерезиса; kх – коэффициент развертки по оси ОХ,
В/дел; l – длина средней линии ферромагнитного
сердечника, на котором равномерно
распределена первичная (намагничивающая)
обмотка; N1 – число витков в возбуждающей обмотке.
Модуль индукции магнитного поля в ферромагнетике можно вычислить по формуле:
; (7.4)
, (7.5)где Y – координата луча на вертикальной оси ОY экрана осциллографа при условии, что начало координат находится в центре петли гистерезиса; ky – коэффициент развертки по оси ОY, B/дел; N2 – число витков в измерительной катушке; S – площадь поперечного сечения ферромагнитного образца (в лабораторной схеме – сердечника трансформатора).
Физики БФУ им. И. Канта исследовали влияние неоднородности магнитного поля на свойства тонкопленочных структур
Сотрудники Балтийского федерального университета имени И. Канта
совместно с коллегами из России, Японии и Австралии изучили влияние
неоднородности магнитного поля при получении тонких пленок сплавов
никель-железо и иридий-марганец на их свойства. Эти материалы могут
использоваться при создании различных типов датчиков.
Статья ученых
опубликована в Journal of Magnetism and Magnetic Materials
Магнитные материалы делятся на несколько типов в зависимости от их реакции на приложенное внешнее магнитное поле. Так, например, диамагнетики намагничиваются против внешнего поля, противодействуют ему, тогда как парамагнетики, наоборот, приобретают направление магнитного момента, совпадающего с полем. Еще два класса магнитных материалов, ферромагнетики и антиферромагнетики, стоят отдельно, так как сохраняют магнитные свойства в отсутствии внешнего поля. И если ферромагнетики обладают магнитным моментом и могут использоваться в качестве постоянных магнитов, то магнитный момент антиферромагнетика в отсутствии магнитного поля равен нулю из-за противоположно направленных магнитных моментов подрешеток, которые компенсируют друг друга.
Для ферромагнетиков характерно явление гистерезиса. Оно заключается в
разном изменении напряженности магнитного поля материала при увеличении
или уменьшении приложенного внешнего поля.
Явление магнитного
гистерезиса наглядно представляется в виде зависимости намагниченности
материала от напряженности внешнего магнитного поля. Петля гистерезиса
ферромагнетика обычно симметрична относительно начала координат, однако в
материалах, состоящих из двух тонких слоев ферромагнетика и
антиферромагнетика, может наблюдаться смещение петли. Этот эффект
называется обменным смещением. Он объясняется обменной связью
ферромагнетика и антиферромагнетика.
Физики БФУ им. И. Канта исследовали влияние неоднородности магнитного поля, приложенного при получении тонких пленок, состоящих из двух слоев — сплавов никель-железо (NiFe) и иридий-марганец (IrMn). Получали эти пленки с помощью магнетронного напыления. Эта технология предполагает разрушение мишени (образец металла, из которого необходимо получить пленку) с помощью бомбардировки ее инертными частицами, например атомами благородных газов.
«Мы продемонстрировали, что наличие неоднородного магнитного поля при
получении тонкопленочных обменно-связанных структур приводит к изменению
механизмов их перемагничивания.
Если при получении пленок использовать
однородные магнитные поля, то это приводит к классическому смещению
петли гистерезиса. Изменение однородности магнитного поля влияет как на
величину смещения петли, так и на изменение формы петли гистерезиса
тонкопленочной структуры NiFe/IrMn. Мы показали, что можно создать
ступенчатую петлю гистерезиса в области с самым высоким градиентом
магнитного поля. Найденные нами закономерности помогут увеличить
чувствительность датчиков магнитного поля», – говорит один из авторов
работы, кандидат физико-математических наук, заведующая лабораторией
новых магнитных материалов БФУ имени И. Канта Валерия Родионова.
Исследование проводилось совместно с коллегами из МГУ имени М.В.
Ломоносова, Национального исследовательского технологического
университета «МИСиС», Университета Тохоку (Япония) и Университета Нового
Южного Уэльса (Австралия).
Картинка 1.
Визуализация магнитного поля между постоянными магнитами в
месте расположения подложки, на которой происходит осаждение пленки
NiFe/IrMn.
Источник: Официальный сайт БФУ им. И. Канта
Гистерезис | физика | Британика
- Развлечения и поп-культура
- География и путешествия
- Здоровье и медицина
- Образ жизни и социальные вопросы
- Литература
- Философия и религия
- Политика, право и правительство
- Наука
- Спорт и отдых
- Технология
- Изобразительное искусство
- Всемирная история
- Этот день в истории
- Викторины
- Подкасты
- Словарь
- Биографии
- Резюме
- Популярные вопросы
- Обзор недели
- Инфографика
- Демистификация
- Списки
- #WTFact
- Товарищи
- Галереи изображений
- Прожектор
- Форум
- Один хороший факт
- Развлечения и поп-культура
- География и путешествия
- Здоровье и медицина
- Образ жизни и социальные вопросы
- Литература
- Философия и религия
- Политика, право и правительство
- Наука
- Спорт и отдых
- Технология
- Изобразительное искусство
- Всемирная история
- Britannica объясняет
В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
- Britannica Classics
Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica. - #WTFact Видео
В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти. - На этот раз в истории
В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории. - Demystified Videos
В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.
- Студенческий портал
Britannica — это главный ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д. - Портал COVID-19
Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня. - 100 женщин
Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю. - Britannica Beyond
Мы создали новое место, где вопросы находятся в центре обучения. Вперед, продолжать. Просить. Мы не будем возражать. - Спасение Земли
Британника представляет список дел Земли на 21 век. Узнайте об основных экологических проблемах, стоящих перед нашей планетой, и о том, что с ними можно сделать! - SpaceNext50
Britannica представляет SpaceNext50. От полёта на Луну до управления космосом — мы исследуем широкий спектр тем, которые подпитывают наше любопытство к космосу!
Содержание
- Введение
Краткие факты
- Связанный контент
Явления гистерезиса и его приложения
B. Tech./1Sem/Physics
2 года назад
Шива
Что такое гистерезис?
Гистерезис возникает в системе с магнитным полем. Гистерезис является общим свойством ферромагнитных веществ. Обычно, когда намагниченность ферромагнитных материалов отстает от магнитного поля, этот эффект можно описать как эффект гистерезиса.
Определение:
Гистерезис означает «запаздывание». Гистерезис характеризуется как отставание интенсивности намагничивания (B) от напряженности магнитного поля (H).
Все ферромагнитные материалы демонстрируют явления гистерезиса. Чтобы дать вам лучшее понимание концепции, мы возьмем пример, когда ферромагнитное вещество помещается внутрь катушки с током. Из-за наличия магнитного поля вещество намагничивается. Если мы изменим направление тока, то вещество размагнитится, этот процесс известен как гистерезис.
Существует два типа гистерезиса;
- Гистерезис в зависимости от скорости
- гистерезис, не зависящий от скорости
Петля гистерезиса
Петля гистерезиса показывает зависимость между интенсивностью намагничивания и намагничивающим полем. Петля создается путем измерения магнитного потока, исходящего от ферромагнитного вещества при изменении внешнего намагничивающего поля.
Глядя на график, если B измеряется для различных значений H и если результаты представлены в графической форме, то график покажет петлю гистерезиса.
- Интенсивность магнетизма (B) увеличивается, когда магнитное поле (H) увеличивается от 0 (ноль).
- С увеличением магнитного поля значение магнетизма увеличивается и, наконец, достигает точки А, которая называется точкой насыщения, где В постоянна.
- С уменьшением величины магнитного поля происходит уменьшение величины магнетизма. Но при B и H равных нулю, вещество или материал сохраняет некоторую долю магнетизма, называемую сохраняющей способностью или остаточным магнетизмом.
- При уменьшении магнитного поля в отрицательную сторону магнетизм также уменьшается. В точке С вещество полностью размагничено.
- Сила, необходимая для устранения удерживающей способности материала, известна как коэрцитивная сила (C).
