Гистерезис магнитный. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Гистерезис магнитный - неоднозначная (необратимая) зависимость намагниченности M магнитоупорядоченного вещества (магнетика, напр. ферро или ферримагнетика) от внеш. магн. поля H при его циклич. изменении (увеличении и уменьшении). Общей причиной существования Г. м. является наличие в определ. интервале изменения Н среди состояний магнетика, отвечающих минимуму термодинамического потенциала, метастабильных состояний (наряду со стабильными) и необратимых переходов между ними. Г. м. можно также рассматривать как проявление магн. ориентационных фазовых переходов первого рода, для к-рых прямой и обратный переходы между фазами в зависимости от H происходят, в силу указанной метастабильности состояний, при разл. значениях H.

Петли гистерезиса: 1 - максимальная, 2 - частного цикла, а - кривая намагничивания, b и с-кривые перемагничивания. M_R - остаточная намагниченность, H_C - коэрцитивная сила, M_S - намагниченность насыщения.

На рис. схематически показана типичная зависимость M от H в ферромагнетике; из состояния М=0 при H=0 с увеличением H значение M растёт по кривой а (осн. кривой намагничивания) и в достаточно сильном поле H

Н_т становится практически постоянной и равной намагниченности насыщения M_s. При уменьшении Н от значения Н_т обратный ход изменения M(H)уже не будет описываться кривой а и намагниченность при H=0 не вернётся к значению М=O. Это изменение описывается кривой b (кривой размагничивания), и при H=0 намагниченность принимает значение М=М_R (т. н. намагниченность остаточная ).Как видно из рис., для полного размагничивания вещества (М=0) необходимо приложить обратное поле Н=-Н_с, наз. коэрцитивной силой. Далее, когда поле достигает значения Н=-Н_m, образец намагничивается до насыщения (M=-M_s)в обратном направлении. При дальнейшем изменении Н от - Н_т до +H_m намагниченность изменяется вдоль кривой с. Ветви b и с, получающиеся при циклич. изменении H от +H_m до - H_m и обратно, вместе образуют замкнутую кривую, наз. максимальной (или предельной) петлёй гистерезиса (ПГ). При этом b наз. нисходящей, а с - восходящей ветвями ПГ. При циклич. намагничивании в полях -H₁

H₁, где H₁<H_m, зависимость M(H)будет описываться замкнутой кривой (частной ПГ), целиком лежащей внутри макс. ПГ (кривые 2 на рис.). С увеличением H₁частные ПГ расширяются и при H₁H_т достигают макс. ПГ. Частная ПГ оказывается несимметричной, если макс. поля H₁, прикладываемые в прямом и обратном направлениях, неодинаковы. Описанные ПГ характерны для достаточно медленных процессов перемагничивания, при к-рых сохраняется квазиравновесная связь между M и H для соответствующих метастабильных состояний, и наз. квазистатическими (или просто статическими). Отставание M от H при намагничивании и размагничивании приводит к тому, что энергия, приобретаемая ферромагнетиком при намагничивании, не полностью отдаётся при раз. магничивании. Теряемая за один полный цикл энергия равна интегралу

, определяющему площадь

ПГ. В конечном итоге она превращается в теплоту, идущую на нагревание образца. Эти потери магнитные, определяемые статич. ПГ, наз. гистерезисными.

При динамич. перемагничивании образца переменным магн. полем

гистерезисные потери в общем случае составляют лишь часть полных магн. потерь. При этом зависимость М

описывается динамической ПГ, не совпадающей со статической. Для петель одинаковой высоты (с одинаковым макс. M)динамич. ПГ обычно шире статической. Последнее обусловлено тем, что к квазиравновесным гистерезисным потерям добавляются динамич. потери, к-рые могут быть связаны с магнитной вязкостью, вихревыми токами (в проводниках) и др. явлениями.

Форма ПГ и наиболее важные характеристики Г. м. (потери, Н_с, M_R и др.) существенно зависят от хим. состава вещества, его структурного состояния и темпры, от характера и распределения дефектов в образце, а следовательно, и от деталей технологии его приготовления и последующих физ. обработок (тепловой, механической, термомагнитной и др.). T. о., варьируя обработку, можно существенно менять гистерезисные характеристики и вместе с ними свойства магн. материалов. Диапазон изменения этих характеристик весьма широк. Так, Н_с может принимать значения от 10^-3Э для магнитно-мягких материалов до 10⁴ Э для магнитно-твердых материалов.

Явления Г. м. наблюдаются не только при изменении поля H по величине и знаку, но также и при его вращении (гистерезис магн. вращения), что соответствует отставанию (задержке) в изменении направления M с изменением направления Н. Гистерезис магн. вращения возникает также цри вращении образца относительно фиксированного направления H,

Теория явлений Г. м. учитывает конкретную магнитную доменную структуру образца и её изменения в ходе намагничивания и перемагничивания. Эти изменения обусловлены смещением доменных границ и ростом одних доменов за счёт других, а также вращением вектора намагниченности в доменах под действием внеш. магн. поля. Всё, что задерживает эти процессы и способствует попаданию магнетиков в метастабильные состояния, может служить причиной Г. м.

В однодоменных ферромагнитных частицах (в частицах малых размеров, в к-рых образование доменов энергетически невыгодно) могут идти только процессы вращения М. Этим процессам препятствует магнитная анизотропия разл. происхождения (анизотропия самого кристалла, анизотропия формы частиц, анизотропия упругих напряжений и др.). Благодаря анизотропии, M как бы удерживается нек-рым внутр. полем Н_А (эфф. полем магн. анизотропии) вдоль одной из осей легкого намагничивания, соответствующей минимуму энергии. Г. м. возникает из-за того, что два направления M (по и против) этой оси в магнитоодноосном образце или несколько эквивалентных (по энергии) направлений M в магнитомногоосном образце соответствуют состояниям, отделённым друг от друга потенциальным барьером (пропорциональным Н_А). При перемагничивании однодоменных частиц вектор M рядом последовательных необратимых скачков поворачивается в направлении Н. Такие повороты могут происходить как однородно, так и неоднородно по объёму. При однородном вращении M коэрцитивная сила H_С

H_А. Более универсальным является механизм неоднородного вращения M. Однако наиб. влияние на H_с он оказывает в случае, когда осн. роль играет анизотропия формы частиц. При этом H_с может быть существенно меньше эфф. поля анизотропии формы.

В многодоменных образцах, где перемагничивание обусловлено в первую очередь смещением доменных границ, одной из гл. причин Г. м. может служить задержка смещения границ на дефектах (немагнитные включения, межзёренные границы и др.) и их последующие необратимые скачки. В ряде случаев, напр. в ферромагнетиках с достаточно большими Н_А, Г. м. может определяться задержкой образования и роста зародышей перемагничивания, из к-рых развивается доменная структура. Зародыши возникают путём неоднородного вращения М, напр. в участках с локально пониженной (за счёт дефектов) анизотропией. В полях Н=-H_n, наз. полями зарождения, энергетич. барьер, связанный с локальным полем Н_А, исчезает и происходит образование зародыша, к-рый затем или растёт, или затормаживается на дефектах. Зародышами могут являться также остатки доменной структуры, локализованные на дефектах образца и неуничтоженные в процессе его намагничивания. Рост зародыша начинается при достижении поля старта H=-H_S. При

энергия, идущая на создание граничного слоя зародыша, перекрывается выигрышем энергии в объёме образца. Если

, то Г. м. связан с задержкой образования, а при

- с задержкой роста зародыша. В обоих случаях при перемагничивании образца вдоль оси лёгкого намагничивания возникают прямоуг. ПГ.

С Г м. связано гистерезисное поведение при циклич. изменении H целого ряда др. физ. свойств, так или иначе зависящих от состояния магнетика, от распределения намагниченности (или др. параметра магн. порядка) в образце, напр. гистерезис магнитострикции, гистерезис гальваномагнитных явлений и магнитооптич. явлений (см. Магнитооптика)и т. д. Кроме того, т. к. намагниченность неоднозначно изменяется (из-за метастабильных состояний) также в зависимости от др. внеш. воздействий (температуры, упругих напряжений и др.), то имеет место гистерезис как самой намагниченности, так и зависящих от неё свойств при циклич. изменении указанных воздействий. Простейшими примерами являются температурный Г. м. (неоднозначная температурная зависимость M при циклич. нагревании и охлаждении магнетика) и магнитоупругий гистерезис (неоднозначное изменение M при циклич. наложении и снятии внеш. одностороннего напряжения).

Литература по магнитному гистерезису

Знаете ли Вы, что только в 1990-х доплеровские измерения радиотелескопами показали скорость Маринова для CMB (космического микроволнового излучения), которую он открыл в 1974. Естественно, о Маринове никто не хотел вспоминать. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.