Петля гистерезиса. Явление магнитного гистерезиса
Гистерезис — это физическое явление, при котором состояние системы зависит не только от текущих внешних воздействий, но и от её предшествующей истории. В контексте магнетизма гистерезис проявляется в виде запаздывания изменения намагниченности ферромагнитного вещества по отношению к изменению внешнего магнитного поля. Другими словами, намагниченность материала при одном и том же значении поля может быть различной в зависимости от того, усиливается или ослабевает поле, и от того, какова была предшествующая траектория изменений.
Это запаздывание особенно ярко выражено в ферромагнетиках, где присутствует сильное взаимодействие между атомными магнитными моментами. Явление гистерезиса играет ключевую роль в работе трансформаторов, магнитных носителей информации, электромагнитов, сердечников машин и приборов.
Пусть ферромагнитный образец помещён в соленоид, создающий магнитное поле с напряжённостью H. Под действием поля домены внутри вещества начинают перестраиваться, и суммарная намагниченность M возрастает. Индукция магнитного поля B связана с напряжённостью и намагниченностью соотношением:
B⃗ = μ0(H⃗ + M⃗)
В ферромагнетиках вклад намагниченности может быть в десятки тысяч раз больше, чем H, поэтому изменение B в первую очередь определяется поведением M.
Рассмотрим постепенное изменение магнитного поля. Если изначально образец размагничен, то при увеличении H намагниченность M, а значит и индукция B, начинают возрастать. Сначала рост идёт довольно быстро, пока домены не начнут поворачиваться и перераспределяться. Однако по мере насыщения вещества увеличение B замедляется, и наступает насыщение — состояние, при котором все магнитные моменты доменов выровнены по полю.
Если теперь уменьшать H, индукция B не возвращается по тому же пути. Даже при нулевом H остаётся остаточная намагниченность — Br, а индукция не обнуляется. Это связано с тем, что домены “запомнили” предыдущее направление поля и не полностью вернулись к хаотичному состоянию. Для того чтобы размагнитить материал (довести B до нуля), необходимо приложить поле в противоположном направлении — это значение называется коэрцитивной силой (Hc).
Если продолжить изменять поле в противоположную сторону, происходит аналогичный процесс намагничивания в обратном направлении с выходом на новое насыщение. При возвращении поля к нулю снова наблюдается остаточная индукция, но уже с противоположным направлением.
Таким образом, при полном цикле изменения поля от -Hₘ до +Hₘ (где Hₘ — максимальная напряжённость) и обратно, получается замкнутая кривая в координатах B(H) — петля гистерезиса.
Петля гистерезиса даёт наглядное представление о магнитных свойствах материала. Важнейшие характеристики:
W = ∮H dB
Чем больше площадь петли, тем больше потери энергии при перемагничивании материала. Это особенно важно в устройствах, работающих в переменных магнитных полях.
Различные ферромагнитные материалы имеют разные петли гистерезиса:
Мягкие магнитные материалы (например, техническое железо, пермаллой) обладают узкой петлёй. У них низкое значение Hc и малая остаточная индукция. Такие материалы легко намагничиваются и размагничиваются, что делает их пригодными для использования в сердечниках трансформаторов, дросселей и т.п., где важно минимизировать потери.
Жёсткие магнитные материалы (например, сталь с легирующими добавками, ферриты) характеризуются широкой петлёй. У них высокие Br и Hc, что делает их хорошими постоянными магнитами. Эти материалы сохраняют намагниченность долго и устойчиво, даже в присутствии возмущающих полей.
Гистерезис обусловлен сложной внутренней структурой ферромагнитного вещества. Вещество состоит из доменов — участков, в которых магнитные моменты атомов ориентированы в одном направлении. При приложении внешнего поля происходит:
Эти процессы сопровождаются преодолением энергетических барьеров, вызванных несовершенствами кристаллической решётки, наличием дефектов, внутренних напряжений и пр. Именно эти барьеры и создают эффект памяти, лежащий в основе гистерезиса.
При перемагничивании материала с гистерезисом происходит необратимое преобразование части энергии магнитного поля в тепло. Это приводит к:
Энергетические потери за цикл можно вычислить по площади петли гистерезиса, выраженной в джоулях на кубический метр. В переменных магнитных полях, например в трансформаторах, гистерезисные потери суммируются с вихревыми токами, и общие потери могут быть значительными.
Для уменьшения потерь применяют:
Кроме полной петли гистерезиса, при неполных циклах (когда поле не достигает насыщения) возникают петли первого порядка, вложенные внутри основной петли. Они тоже обладают характерной формой и демонстрируют, что магнитное состояние вещества зависит от предыстории изменений поля. Это ещё раз подчёркивает необратимость и память магнитной системы.
Понимание гистерезиса крайне важно в инженерных и прикладных задачах. Гистерезис оказывает влияние на:
Гистерезис также возникает в других физических системах — например, в упругости, электрическом сопротивлении, фазовых переходах, но именно в магнетизме его проявление наиболее ярко и наглядно.