ヒステリシスループ特性：B-HおよびJ-H曲線解析

磁性材料は、ハードドライブからモーター、変圧器からセンサーに至るまで、現代技術のいたるところに存在し、その性能は機器の効率と信頼性に直接影響します。ヒステリシスは、磁性材料の中核的な特性として、外部磁場の作用下での材料の磁化応答のヒステリシスを記述します。B-H曲線とJ-H曲線を通して、磁性材料の特性と応用可能性を深く理解することができます。本稿では、ヒステリシス現象、曲線の特徴、材料の分類、科学技術分野での幅広い応用について詳しく説明します。

ヒステリシスとは何か？

ヒステリシスはギリシャ語の "lag "に由来し、外部磁場の作用下で強磁性体（鉄、ニッケル、コバルトおよびそれらの合金など）の磁化または磁気誘導強度が変化することを指す。外部磁場が印加されると、材料は磁壁の移動と磁気モーメントの回転によって徐々に磁化を獲得する。磁場を取り除いても、ピン止め効果によって磁区が完全に回復することはなく、材料は残留磁化（Br）と呼ばれるある程度の磁化を保持する。この「磁気メモリ」特性により、磁性材料はストレージ・デバイスや永久磁石.

ヒステリシスの物理的メカニズム

ヒステリシスの根源は、材料内部の磁区の動的挙動にある。磁区とは材料中の小さな領域のことで、それぞれが一貫した磁化方向を持つ。外部磁場がない場合、磁区はランダムに配置され、正味の磁化強度はゼロである。外部磁場を印加すると、磁化プロセスは次のように分けられる：1) 可逆的な磁壁の移動（低磁場領域）、2) 不可逆的な磁壁のジャンプ（中磁場領域）、3) 磁気モーメントの回転（高磁場領域）。磁場を取り除いた後、一部の磁区はピン止め効果によりランダムな状態に戻ることができず、残留磁性が生じる。完全に消磁するには、逆磁場を印加するか、キュリー温度以上に加熱して磁区配列を破壊する必要がある。

B-H曲線（ヒステリシスループ）

B-H曲線は、磁気誘導強度と外部磁界強度の関係を示す曲線グラフで、材料の磁化特性を示す。その式は

B = μ₀H + J

ここでμ₀は真空の透磁率(4π×10⁷ H/m)、J = μ₀Mは磁化密度である。B-Hヒステリシス曲線は、典型的には、材料の非線形磁化特性を表す閉ループを導き出すことができます。

初期磁化曲線

まず、中性磁気の状態では、外部磁界Hが印加され、磁気誘導強度BはHとともに上昇するため、Bは次のような段階を示す：

レイリー領域（低磁場）：磁壁の可逆的な移動；

非可逆磁化領域：磁壁ジャンプが支配的で、Bは急激に上昇する；

飽和領域に近づく：磁気モーメントの回転が支配的になり、Bは漸近的に飽和値Bsに近づく。

残留と強制力

残留磁化（Br）：HがHsから0に減少するとき、Bは最初の磁化曲線に沿って戻るのではなく、新しい経路に沿って減少し、H=0における一定の磁気誘導強度を保持し、これを残留磁化Brと呼ぶ。残留磁化は、材料が磁化を維持する能力を反映している。

強制力：2つのタイプがある：

磁気誘導保磁力（Hcb）：Bを0にするのに必要な逆磁界；

固有保磁力（Hcj）：J（またはM）を0にするのに必要な磁場（Hcj≧Hcb、永久磁石材料のみ）。

ヒステリシスループ

Hがプラス方向とマイナス方向に周期的に変化する場合（ACドライブなど）、B-H曲線は閉ループ（a-b-c-d-e-f-a）を形成し、これはヒステリシスループと呼ばれる：

順磁化：0から正の飽和点まで（aからb）；

磁場を下げる：Hは0に、BはBrに（b→c）；

逆磁化：逆方向Hを印加し、Bを0にし（c→d、Hcb）、逆方向Hを負の飽和まで増加させ続ける（d→e）；

サイクルが戻る：Hは再び0まで減少し（eからf、負のBr）、次に飽和まで正に増加する（fからa）。ループ面積はヒステリシス損失エネルギー密度 (W = ∮HdB)、すなわち磁化サイクル中に熱として放散されるエネルギーを表します。ループが狭いほど損失が小さく、ループが広いほど損失が大きいことを意味する。

J-H曲線（固有減磁曲線）

J-H曲線は、磁気分極強度（J＝μ₀M、単位：テスラ）とHの関係を記述したもので、主に永久磁石材料の固有磁気特性を評価するために使用される。

固有保磁力 (Hcj)

Jが0まで低下したときに対応するH値は固有保磁力Hcjと呼ばれ、材料の完全な減磁に必要な逆磁界強度を示します。Hcjは永久磁石材料の減磁耐性の重要な指標であり、通常はHcbよりもはるかに大きい。

変曲点（Hk）

逆磁場が増加する間、Jはある点(J = 0.9Br)までゆっくりと減少し、その後急激に低下する。この点は変曲点（Hk）と呼ばれ、不可逆減磁の始まりを示す。HkがHcjに近ければ近いほど、高温または逆磁場での安定性が高くなる。

直角度（Q）

扁平率は Q = Hk/Hcj (0 ≤ Q ≤ 1) で定義される。Q≧0.9は減磁曲線が矩形に近いことを示し、これは高品質永久磁石の特徴である。

軟磁性材料と硬磁性材料の特性

磁性材料はループの形状によって軟磁性材料と硬磁性材料に分けられる：

軟磁性材料（ケイ素鋼、フェライトなど）:

ヒステリシスループが狭く、BrとHcが低い；

低ヒステリシス損失で、トランスやモーターなどのACアプリケーションに適しています；

珪素鋼は、珪素を添加することにより渦電流とヒステリシス損失を低減する。

硬質磁性材料（NdFeB、SmCo、AlNiCoなど）:

ヒステリシスループが広く、BrとHcjが高い；

永久磁石モーターや磁気ストレージに使用される高い減磁能力。

磁気特性に及ぼす温度の影響

残留磁束(Br)と保磁力(Hc, Hcj)温度上昇とともに減少する；

キュリー温度（Tc）T≧Tcのとき、材料は常磁性になり、ヒステリシスは消失する；

特に動作温度がHcj変曲点に対応する磁界強度に近い場合、高温で不可逆的な減磁が起こる可能性がある。

バルクハウゼン効果

磁化過程において、磁壁の脱ピニングによって生じる離散的な磁化ジャンプはバルクハウゼン効果と呼ばれ、磁化曲線上のノイズ信号として現れます。この効果は、材料内部の応力分布や欠陥の非破壊検査に利用できます。

素材の選択

軟磁性材料（アモルファス合金など）はHcが極めて低い。

プロセス改善：結晶粒方位制御による磁壁抵抗の低減（珪素鋼圧延など）；

周波数管理：薄膜積層を使用して高周波アプリケーションの渦電流損失を低減する。

結論

ヒステリシスグラフ、B-Hグラフ、J-Hグラフは、材料の磁性を理解し、改善することを可能にする主な関係を表しています。レイリー領域における可逆的な磁化と永久磁石の固有保磁力は、材料の微細構造を理解することを可能にするだけでなく、現代の科学技術における使用を容易にする特性である。材料科学の絶え間ない進歩により、新規な磁性体の創製は、高効率・低損失技術の実現をさらに促進し、エネルギー、ストレージ、ヘルスケアの各分野で、より大きなイノベーションを可能にするだろう。

Ethan Huang

私は磁石に関するポピュラー・サイエンスの執筆に専念している。私の記事は主に、磁石の原理、応用、業界の逸話に焦点を当てています。読者の皆様に価値ある情報を提供し、磁石の魅力や意義をより深く理解していただくことが目標です。同時に、磁石にまつわる皆さんのご意見もお待ちしています。磁石の無限の可能性を一緒に探っていきましょう！

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