히스테리시스 루프 특성: B-H 및 J-H 곡선 분석

자성 재료는 하드 드라이브에서 모터, 변압기에서 센서에 이르기까지 현대 기술에서 어디에나 존재하며 그 성능은 장비의 효율성과 신뢰성에 직접적인 영향을 미칩니다. 자성 재료의 핵심 특성인 히스테리시스는 외부 자기장의 작용에 따른 재료의 자화 반응의 히스테리시스를 설명합니다. B-H 곡선과 J-H 곡선을 통해 자성 재료의 특성과 응용 가능성을 심층적으로 이해할 수 있습니다. 이 기사에서는 히스테리시스 현상, 곡선 특성, 재료 분류 및 과학 기술 분야에서의 광범위한 응용에 대해 자세히 설명합니다.

히스테리시스란 무엇인가요?

히스테리시스는 그리스어 '지연'에서 유래한 말로, 외부 자기장의 작용에 따른 강자성 물질(철, 니켈, 코발트 및 그 합금 등)의 자화 또는 자기 유도 강도의 변화를 나타냅니다. 외부 자기장이 가해지면 재료는 자기 영역 벽의 움직임과 자기 모멘트의 회전을 통해 서서히 자화를 달성합니다. 자기장이 제거되더라도 고정 효과로 인해 자기 영역이 완전히 회복되는 것을 방지하여 재료가 어느 정도의 자화 상태를 유지하게 되는데, 이를 잔류성(Br)이라고 합니다. 이러한 '자성 메모리' 특성 덕분에 자성 소재는 저장 장치 및 애플리케이션에 중요한 역할을 합니다. 영구 자석.

히스테리시스의 물리적 메커니즘

히스테리시스의 근원은 재료 내부의 자기 영역의 동적 거동에 있습니다. 자기 도메인은 재료의 작은 영역으로, 각각 자화 방향이 일정합니다. 외부 자기장이 없는 경우 자기 도메인은 무작위로 배열되며 순 자화 강도는 0입니다. 외부 자기장을 가한 후 자화 과정은 다음과 같이 나뉩니다: 1) 가역적 자기 도메인 벽 이동(저자기장 영역), 2) 비가역적 자기 도메인 벽 점프(중간 자기장 영역), 3) 자기 모멘트 회전(고자기장 영역). 자기장을 제거한 후 일부 자기 영역은 고정 효과로 인해 임의의 상태로 돌아갈 수 없어 잔류 자기가 발생합니다. 완전히 자기를 제거하려면 역자기장을 가하거나 퀴리 온도 이상으로 가열하여 자기 영역 배열을 파괴해야 합니다.

B-H 곡선(히스테리시스 루프)

B-H 곡선은 자기 유도 강도와 외부 자기장 강도 사이의 관계를 보여주는 곡선 그래프로, 재료의 자화 특성을 나타냅니다. 공식은 다음과 같습니다:

B = μ₀H + J

여기서 μ₀는 진공 자기 투과성(4π×10⁷ H/m)이고, J = μ₀M은 자화 밀도입니다. B-H 히스테리시스 곡선은 일반적으로 도출할 수 있는 재료의 비선형 자화 특성을 나타내는 폐쇄 루프입니다.

초기 자화 곡선

우선 중성 자기 상태에서는 외부 자기장 H가 가해지는데, 자기 유도 강도 B는 H와 함께 올라가므로 B는 다음과 같은 단계를 보입니다:

레이리 영역(저자기장): 가역적 자기 영역 벽 이동, B는 H에 따라 선형적으로 증가합니다;

비가역적 자화 영역: 도메인 벽 점프가 지배적이며 B가 빠르게 상승합니다;

포화 영역에 접근: 자기 모멘트 회전이 지배적이며, B는 포화 값 B에 점근적으로 접근합니다.

잔류 및 강제력

잔류성(Br): H가 Hs에서 0으로 감소할 때 B는 초기 자화 곡선을 따라 돌아가지 않고 새로운 경로를 따라 감소하여 H=0에서 특정 자기 유도 강도를 유지하는데, 이를 리맨언스 Br이라고 합니다. 리맨런스는 자화를 유지하는 재료의 능력을 반영합니다.

강압적 힘: 두 가지 유형이 있습니다:

자기 유도 강제력(Hcb): B를 0으로 줄이는 데 필요한 역자기장입니다;

내재적 보자력(Hcj): J(또는 M)를 0으로 줄이는 데 필요한 자기장(영구 자성 물질의 경우에만 Hcj ≥ Hcb).

히스테리시스 루프

H가 양의 방향과 음의 방향으로 주기적으로 변화하는 경우(예: AC 드라이브), B-H 곡선은 히스테리시스 루프라고 하는 폐쇄 루프(a-b-c-d-e-f-a)를 형성합니다:

순방향 자화: 0에서 양의 포화점(a~b)까지;

자기장을 줄입니다: H는 0으로 감소하고, B는 Br(b에서 c로 감소)로 감소합니다;

역자화: 역자화를 적용하면 B가 0으로 감소하고(c에서 d로, Hcb), 역자화를 음의 포화(d에서 e로)까지 계속 증가시킵니다;

사이클 복귀: H가 다시 0으로 감소한 다음(e에서 f로, 음의 Br) 포화 상태로 양으로 증가합니다(f에서 a로). 루프 면적은 히스테리시스 손실 에너지 밀도(W = ∮HdB), 즉 자화 사이클 동안 열로 소멸되는 에너지를 나타냅니다. 루프가 좁을수록 손실이 적고 루프가 넓을수록 손실이 큽니다.

J-H 곡선(내재적 자화 곡선)

J-H 곡선은 자기 편광 강도(J = μ₀M, 단위: 테슬라)와 H 사이의 관계를 설명하며, 주로 영구 자성 물질의 고유 자기 특성을 평가하는 데 사용됩니다.

내재적 강제성(Hcj)

J가 0으로 떨어질 때 해당하는 H 값을 고유 보자력 Hcj라고 하며, 이는 재료의 완전한 자화에 필요한 역자기장 세기를 나타냅니다. Hcj는 영구 자성 재료의 자화 저항을 나타내는 주요 지표이며 일반적으로 Hcb보다 훨씬 큽니다.

변곡점(Hk)

역자기장이 증가하는 동안 J는 특정 지점(J = 0.9Br)까지 천천히 감소하다가 급격히 떨어집니다. 이 지점을 변곡점(Hk)이라고 하며, 비가역적 자화가 시작되는 지점입니다. Hk가 Hcj에 가까울수록 고온 또는 역자계에서 재료의 안정성이 높아집니다.

정사각형(Q)

정사각형은 Q = Hk/Hcj(0 ≤ Q ≤ 1)로 정의됩니다. Q ≥ 0.9는 자화 곡선이 직사각형에 가깝다는 것을 나타내며, 이는 고품질 영구 자석의 특징입니다.

연자성 및 경자성 자성 재료의 특성

자성 재료는 루프의 모양에 따라 연자성 재료와 경자성 재료로 나뉩니다:

연자성 소재(실리콘 스틸, 페라이트 등):

좁은 히스테리시스 루프, 낮은 Br 및 Hc;

히스테리시스 손실이 적어 변압기 및 모터와 같은 AC 애플리케이션에 적합합니다;

실리콘 스틸은 실리콘을 추가하여 와전류 및 히스테리시스 손실을 줄입니다.

경질 자성 재료(예: NdFeB, SmCo, AlNiCo):

넓은 히스테리시스 루프, 높은 Br 및 Hcj;

영구 자석 모터 및 자기 저장 장치에 사용되는 높은 자화 방지 능력.

온도가 자기 특성에 미치는 영향

잔류성(Br) 및 강제성(Hc, Hcj)온도 상승에 따라 감소합니다;

퀴리 온도(Tc)T≥Tc가 되면 재료가 상자성이 되고 히스테리시스가 사라집니다;

고온에서는 비가역적 자화가 발생할 수 있으며, 특히 작동 온도가 Hcj 변곡점에 해당하는 전계 강도에 가까울 때 더욱 그렇습니다.

바크하우젠 효과

자화 과정에서 도메인 벽의 탈피로 인해 발생하는 이산 자화 점프를 바크하우젠 효과라고 하며, 자화 곡선에서 노이즈 신호로 나타납니다. 이 효과는 재료 내부의 응력 분포와 결함의 비파괴 테스트에 사용할 수 있습니다.

재료 선택

연자성 재료(예: 비정질 합금)는 Hc가 매우 낮습니다.

공정 개선: 입자 방향 제어를 통한 도메인 벽 저항 감소(예: 실리콘 강 압연);

주파수 관리: 박막 스태킹을 사용하여 고주파 애플리케이션에서 와전류 손실을 줄입니다.

결론

히스테리시스, B-H, J-H 그래프는 재료의 자성을 이해하고 개선할 수 있는 주요 관계를 나타냅니다. 레이리 영역의 가역적 자화와 영구 자석의 고유한 보자력은 재료의 미세 구조를 이해할 수 있을 뿐만 아니라 현대 과학과 기술에서 쉽게 사용할 수 있는 특성입니다. 재료 과학의 지속적인 발전을 통해 새로운 자성 물질이 만들어지면 고효율, 저손실 기술의 구현이 더욱 용이해지고 에너지, 저장 및 의료 분야에서 더 큰 혁신이 가능해질 것입니다.

Ethan Huang

저는 자석에 관한 대중 과학 글을 쓰고 있습니다. 제 기사는 주로 자석의 원리, 응용 분야, 업계 일화에 초점을 맞추고 있습니다. 제 목표는 독자들에게 유용한 정보를 제공하여 모든 사람이 자석의 매력과 중요성을 더 잘 이해할 수 있도록 돕는 것입니다. 동시에 자석과 관련된 여러분의 의견을 듣고 싶습니다. 자석의 무한한 가능성을 함께 탐구하는 동안 자유롭게 팔로우하고 참여해 주세요!

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