Изучаем что такое магнитный гистерезис
Содержание
Наличие магнитного гистерезиса характеризует свойства материалов, связанные с их намагничиванием или перемагничиванием. Применение этого явления широко распространено в различных электрических приборах. Понимание его природы позволяет использовать особенности взаимодействия различных веществ с внешним магнитным полем.
Что такое гистерезис
В науке иногда рассматривается переход определённой системы из одного состояния в другое, а затем — в обратном направлении. При этом следует заметить, что оба перехода не являются идентичными, различающимися лишь направлением. Такого рода процессы могут быть предметом изучения в физике, биологии, геологии, гидрологии и других сферах.
В качестве примера для пояснения смысла рассматриваемого понятия можно привести следующую ситуацию. Нужно взять металлический стержень, расположенный вертикально на прочной основе. Он является упругим. На стержень оказывается давление, направленное вертикально вниз. Это можно сделать, например, при помощи пресса.
При постепенном возрастании движения пресса сила упругости стержня будет увеличиваться. Но после достижения определённого предела она резко уменьшится. Далее могут произойти необратимые изменения. Если в этот момент приступить к постепенному ослаблению давления, то сначала упругость будет резко уменьшаться, а затем ее снижение станет происходить очень медленно. Описанный здесь процесс можно назвать гистерезисом.
Магнитный гистерезис
Магнитным гистерезисом называется явление, в котором проявляется зависимость вектора намагничивания и вектора магнитной индукции не только от изменений электромагнитного поля, но и от истории таких изменений. При этом обычно работа производится с ферромагнетиками (в их число, например, входят железо, кобальт, никель) или сплавами, сделанными на их основе.
Особенности протекания процесса определяются видом используемого материала и температурными условиями. Изучение магнитного гистерезиса помогает понять, в чем заключается это явление и более точно рассчитывать параметры влияния внешнего магнитного поля на намагничивание материала.
Используемые материалы разделяют на два типа: магнитомягкие и магнитотвёрдые. Если нарисовать график происходящих в них процессов, то ширина петли гистерезиса в первом случае будет относительно небольшой. Такие материалы, например, находят применение в трансформаторах, дросселях или электромагнитах.
Магнитотвёрдые материалы выгодно использовать там, где сохранение намагниченности играет более важную роль. Это относится к некоторым видам устройств компьютерной памяти, а также к постоянным магнитам. В рассматриваемом случае из-за инерционных процессов при намагничивании петля гистерезиса буде более широкой, чем у магнитомягких материалов.
Особенности процессов намагничивания и размагничивания
Явление магнитного гистерезиса можно объяснить следующим образом: намагниченность создаётся доменами, в которых элементы имеют одинаковую ориентацию. Они могут увеличиваться в размерах или образовываться, поглощая друг друга. При размагниченности происходят противоположные процессы, приводящие к уменьшению количества этих образований и их размеров. В ненамагниченном материале ориентация элементов является хаотичной, в результате чего напряжённость магнитного поля равна нулю.
При намагничивании вследствие роста доменов рано или поздно все атомы вещества становятся одинаково ориентированными. Магнитная напряжённость поля достигает максимального значения и больше увеличиваться не сможет. В этом случае говорят о достижении состояния насыщения.
Когда внешнее поле выключается, важную роль приобретает тепловое движение. Оно приводит к тому, что постепенно намагниченность будет уменьшаться. Скорость и интенсивность этого процесса будет тем меньше, чем ниже температура. Возможны ситуации, когда полное размагничивание становится невозможным.
В этом случае для завершения процесса к ферромагнетику потребуется приложить поле противоположной направленности. Гистерезис показывает, что кривая размагничивания не будет совпадать с той, которая относится к обратному процессу.
То, как определённые вещества реагируют на внешнее магнитное поле, определяется их магнитной проницаемостью. Таким образом, материалы можно разделить на следующие группы:
- У диамагнетиков магнитная проницаемость является незначительной. Это, например, относится к водороду, воде или меди.
- У парамагнетиков эта величина значительно больше, чем в первом случае. В качестве таких веществ рассматривают платину, кислород и эбонит.
- Максимальный уровень магнитной проницаемости имеют ферромагнетики, примером которых являются кобальт и железо.
Только в последней группе материалы сохраняют намагниченность после прекращения воздействия внешнего поля. При этом надо учитывать, что при нагреве ферромагнетика до определённой температуры его магнитные свойства полностью прекращают своё воздействие. Такая температура называется точкой Кюри. Для железа она составляет 770 градусов.
Степень намагниченности выражают через разность напряжённости внутреннего и внешнего магнитных полей. Эту величину также можно выразить с использованием магнитной проницаемости материала. В этом случае формула будет выглядеть так:
Пользуясь данной формулой, можно точно определить степень намагниченности материала.
Сегнетоэлектрический гистерезис
Магнитный сегнетоэлектрический гистерезис связан с намагниченностью материала, но при отсутствии воздействия внешнего магнитного поля. Нужный результат достигается путём помещения вещества в электрическое поле. Такой эффект достигается путём использования сегнетоэлектриков в определенном для каждого вещества температурном диапазоне.
На графике показана зависимость величины намагниченности от приложенного электрического поля. Справа на двух рисунках наглядно показано, как происходит ориентация доменов без воздействия поля и во время его.
Буквой «a» обозначена точка насыщения материала. PС показывает остаточную намагниченность, когда внешнее электрическое поле имеет нулевую напряжённость. Точка пересечения верхней ветви графика с горизонтальной осью координат соответствует значению коэрцитивной силы.
Указанное явление активно применяется в электротехнике. Одним из примеров являются конденсаторы с изменяемой ёмкостью.
Загрузка...
