Петля гистерезиса

Явление остаточного магнетизма достаточно изучено и понятно. Любой металлический сердечник после определённого времени нахождения в электромагнитном поле сохраняет однонаправленные магнитные свойства. Для того чтобы его перемагнитить, требуется его помещение в магнитное поле обратной направленности. Тут возникает достаточно интересное явление – магнитная индукция не успевает изменяться в момент изменения магнитного потока, для этого требуется некоторый период времени. Именно это явление получило название гистерезиса. Для объяснения этого понятия и термина «петля гистерезиса» придётся уточнить некоторые базисные понятия, связанные с магнитными свойствами.

Графическое отображение петли гистерезиса

Вещества и их магнитные свойства

Вещества, обладающие естественными магнитными свойствами, называют ферромагнетиками. Обычно они используются как постоянные магниты, по составу обычно это металлы, но встречаются и ферримагнитные составы, состоящие из неметаллических элементов. Нужно отметить, что естественная намагниченность существует только при определённом диапазоне температур. По достижении температуры, так называемой точки Кюри, все магнитные свойства элемента теряются. Точка Кюри для разных минералов и веществ отличается.

Природный магнетизм этих веществ изучен и с древних времён поставлен на службу человечеству. Например, всем известен магнитный компас или неодимовые магниты. Основной характеризующий признак этих элементов – это способность создавать собственное магнитное поле, без влияния любого рода извне. Присутствие в составе атомов этих минералов и их смесей некомпенсированных спиновых магнитных моментов служит основной причиной возникновения такого явления, как ферромагнетизм. Обмен при взаимодействии электронов элемента при строго определённом отношении диаметра орбиты атома и его оболочки, при положительной величине интеграла энергии приводит к параллельной ориентации спинов. Ориентация спинов такого рода обеспечивает значение минимальной суммы энергии обменно-магнитного взаимодействия. Нужно отметить что вещества, обладающие обратными характеристиками, обычно называют антиферромагнетиками – это такие металлы, как марганец и хром.

При таком распределении возникают однонаправленные области естественной намагниченности – домены, при включении их в замкнутую сеть достигается наибольшая эффективность действия общего магнитного поля. Но при различной направленности в рядом расположенных доменах между ними появляются пограничные слои, в которых вектор намагниченности постепенно поворачивается в сторону направления вектора следующего домена.

В качестве наиболее простого примера можно взять железо. Кристалл этого металла наиболее легко намагничивается в направлении рёбер, грани обладают средним коэффициентом намагниченности, в то время как точкой наиболее сложной поддающейся намагничиванию является пересечение диагоналей кристалла. В отсутствии магнитного поля кристалл железа размагничен, но при воздействии на него внешнего поля он генерирует собственное. При этом на рост доменов влияет как направление поля, так и сама структура кристалла. Преодоление дефектов структуры и вызывает скачкообразный прирост собственного магнитного поля. В результате такого нарастания появляются импульсы напряжения, вектора которых при увеличении силы внешнего поля поворачиваются в его сторону, до полного совпадения по направлению с ним.

Магнитные вещества по своим характеристикам делятся на:

• магнитомягкие;
• магнитотвердые.

Магнитомягкие вещества обладают значительной коэрцитивной силой, за счёт чего их насыщение производится сравнительно быстро и при малых затратах энергии. Твёрдые вещества обладают малыми магнетическими способностями, но в то же время успешно работают при больших потерях энергии.

Магнитное поле железа

Гистерезис и его петля

Это идеальная область полного насыщения ферромагнетика, при спаде поля в ферромагнетике останется остаточное намагничивание. Сам магнитный гистерезис – это отставание намагниченности элемента в зоне действия магнитного поля от воздействия внешнего источника поля. Фактически домены элемента, включаясь в замкнутую магнитную сеть, уменьшают рассеивание, точнее объем занимаемый его полем, и урезают собственную свободную энергию системы.

Гистерезис определяется как разность величины насыщения поля элемента-ферромагнетика и намагниченности замыкающих участков цепи-доменов. Для размагничивания используется отрицательное поле – коэрцитивная сила, при её приложении и достижении ферромагнетиком полного технического насыщения происходит процесс его полного размагничивания. Тут  появляется такое понятие, как петля гистерезиса.

Если выводить этот процесс в виде графика, то видно, что кривая намагниченности замыкается, образуя остроугольную замкнутую петлю, – это и есть предельная петля. По её объёму можно узнать затраты энергии на размагничивание, так как она пропорциональна им. Площадь петли гистерезиса – знаковый объект, он используется для определения параметров магнитного поля и самой системы в целом.

Бортовой самописец

Использование явления гистерезиса

Одним из основных направлений использования ферромагнитных элементов является создание записывающих устройств. Для примера можно привести металлическую проволоку в бортовых самописцах водного и воздушного транспорта, ферритовые кольца оперативной памяти и триггеры Шмидта, а также другие магнитные носители.

На этой основе работают электромоторы, устройства шумо-, и помехоподавления, в том числе предназначенные для коммутации логических схем.

Магнитный гистерезис, точнее его действие, активно используется в научных исследованиях, в том числе для управления некоторым оборудованием. Использование графического изображения петель гистерезиса в основе своей применятся для упрощения расчётов характеристик магнитных полей и параметров систем.

Триггер Шмидта

Видео