Характеристики петли гистерезиса: Анализ кривых B-H и J-H

Магнитные материалы повсеместно используются в современной технике, от жестких дисков до двигателей, от трансформаторов до датчиков, и их характеристики напрямую влияют на эффективность и надежность оборудования. Гистерезис, как основное свойство магнитных материалов, описывает гистерезис реакции намагничивания материалов под действием внешнего магнитного поля. С помощью кривых B-H и J-H мы можем глубоко понять характеристики и потенциал применения магнитных материалов. В этой статье мы подробно рассмотрим явление гистерезиса, характеристики кривых, классификацию материалов и их широкое применение в области науки и техники.

Что такое гистерезис?

Гистерезис происходит от греческого слова "лаг", которое обозначает изменение намагниченности или интенсивности магнитной индукции ферромагнитных материалов (таких как железо, никель, кобальт и их сплавы) под действием внешнего магнитного поля. Когда прикладывается внешнее магнитное поле, материал постепенно достигает намагниченности за счет движения магнитных доменных стенок и вращения магнитных моментов. Даже если магнитное поле снимается, эффект пиннинга не позволяет магнитным доменам полностью восстановиться, в результате чего материал сохраняет определенную степень намагниченности, называемую реманентностью (Br). Это свойство "магнитной памяти" делает магнитные материалы важными для применения в устройствах хранения данных и постоянные магниты.

Физический механизм гистерезиса

Корень гистерезиса лежит в динамическом поведении магнитных доменов внутри материала. Магнитные домены - это крошечные области в материале, каждая из которых имеет постоянное направление намагниченности. В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные домены расположены беспорядочно, и чистая интенсивность намагниченности равна нулю. После приложения внешнего магнитного поля процесс намагничивания делится на: 1) обратимое перемещение стенок магнитных доменов (область низкого поля); 2) необратимый скачок стенок магнитных доменов (область среднего поля); 3) вращение магнитного момента (область высокого поля). После снятия магнитного поля некоторые магнитные домены не могут вернуться в случайное состояние из-за эффекта пиннинга, что приводит к остаточному магнетизму. Для полного размагничивания необходимо приложить обратное магнитное поле или нагреть до температуры выше температуры Кюри, чтобы разрушить расположение магнитных доменов.

Кривая B-H (петля гистерезиса)

Кривая B-H - это график, показывающий зависимость интенсивности магнитной индукции от напряженности внешнего магнитного поля и иллюстрирующий свойства намагниченности материала. Ее формула выглядит следующим образом:

B = μ₀H + J

Здесь μ₀ - магнитная проницаемость вакуума (4π×10⁷ H/m), а J = μ₀M - плотность намагниченности. Кривая гистерезиса B-H обычно представляет собой замкнутый контур, отражающий нелинейные свойства намагниченности материала, которые могут быть получены.

Кривая начальной намагниченности

Прежде всего, в нейтральном магнитном состоянии прикладывается внешнее магнитное поле H, интенсивность магнитной индукции B возрастает вместе с H, поэтому B проходит следующие стадии:

Область Рэлея (низкое поле): обратимое движение стенок магнитного домена, B линейно возрастает с увеличением H;

Область необратимой намагниченности: доминирует скачок доменной стенки, B быстро растет;

Приближение к области насыщения: вращение магнитного момента доминирует, B асимптотически приближается к значению насыщения Bs.

Постоянство и принудительная сила

Реманентность (Br): Когда H уменьшается от Hs до 0, B не возвращается по первоначальной кривой намагничивания, а уменьшается по новой траектории, сохраняя определенную интенсивность магнитной индукции при H=0, которая называется реманентностью Br. Реманентность отражает способность материала сохранять намагниченность.

Принудительная сила: Существует два типа:

Принудительная сила магнитной индукции (Hcb): обратное магнитное поле, необходимое для уменьшения B до 0;

Внутренняя коэрцитивная сила (Hcj): магнитное поле, необходимое для уменьшения J (или M) до 0 (Hcj ≥ Hcb, только для постоянных магнитных материалов).

Петля гистерезиса

Когда H циклически изменяется в положительном и отрицательном направлениях (например, в приводе переменного тока), кривая B-H образует замкнутую петлю (a-b-c-d-e-f-a), которая называется петлей гистерезиса:

Намагниченность в прямом направлении: от 0 до положительной точки насыщения (a - b);

Уменьшите магнитное поле: H уменьшается до 0, B уменьшается до Br (b - c);

Обратное намагничивание: Приложите обратное H, B уменьшится до 0 (c - d, Hcb), и продолжайте увеличивать обратное H до отрицательного насыщения (d - e);

Цикл возвращается: H снова уменьшается до 0 (от e до f, отрицательное значение Br), а затем положительно увеличивается до насыщения (от f до a). Площадь петли представляет собой плотность энергии гистерезисных потерь (W = ∮HdB), то есть энергию, рассеиваемую в виде тепла во время цикла намагничивания. Узкая петля означает низкие потери, а широкая - большие.

Кривая J-H (кривая собственного размагничивания)

Кривая J-H описывает связь между интенсивностью магнитной поляризации (J = μ₀M, единица измерения: Тесла) и H, и в основном используется для оценки собственных магнитных свойств постоянных магнитных материалов.

Внутренняя коэрцитивная сила (Hcj)

Значение H, соответствующее моменту, когда J падает до 0, называется собственной коэрцитивной силой Hcj, которая указывает на напряженность обратного магнитного поля, необходимую для полного размагничивания материала. Hcj является ключевым показателем сопротивления размагничиванию постоянных магнитных материалов и обычно намного больше, чем Hcb.

Точка перегиба (Hk)

При увеличении обратного магнитного поля J медленно уменьшается до определенной точки (J = 0,9Br), когда оно быстро падает. Эта точка называется точкой перегиба (Hk), обозначающей начало необратимого размагничивания. Чем ближе Hk к Hcj, тем выше стабильность материала при высокой температуре или обратном поле.

Квадратность (Q)

Квадратичность определяется как Q = Hk/Hcj (0 ≤ Q ≤ 1). Q ≥ 0,9 указывает на то, что кривая размагничивания близка к прямоугольнику, что является характеристикой высококачественных постоянных магнитов.

Характеристики мягких и твердых магнитных материалов

Магнитные материалы делятся на мягкие и твердые в зависимости от формы петли:

Мягкие магнитные материалы (такие как кремниевая сталь, феррит):

Узкая петля гистерезиса, низкие значения Br и Hc;

Низкие потери на гистерезис, подходит для приложений переменного тока, таких как трансформаторы и двигатели;

Кремниевая сталь снижает потери на вихревые токи и гистерезис за счет добавления кремния.

Твердые магнитные материалы (такие как NdFeB, SmCo, AlNiCo):

Широкая петля гистерезиса, высокие значения Br и Hcj;

Высокая способность к размагничиванию, используется для двигателей с постоянными магнитами и магнитных накопителей.

Влияние температуры на магнитные свойства

Реманентность (Br) и коэрцитивная сила (Hc, Hcj): уменьшаются с повышением температуры;

Температура Кюри (Tc): когда T≥Tc, материал становится парамагнитным и гистерезис исчезает;

Необратимое размагничивание может происходить при высоких температурах, особенно если рабочая температура близка к напряженности поля, соответствующей точке перегиба Hcj.

Эффект Баркхаузена

В процессе намагничивания дискретный скачок намагниченности, вызванный депиннингом доменной стенки, называется эффектом Баркгаузена, который проявляется в виде шумового сигнала на кривой намагничивания. Этот эффект может быть использован для неразрушающего контроля распределения напряжений и дефектов внутри материала.

Выбор материала

Мягкие магнитные материалы (например, аморфные сплавы) имеют крайне низкий Hc.

Улучшение технологического процесса: снижение сопротивления доменной стенки за счет управления ориентацией зерен (например, при прокатке кремнистой стали);

Управление частотой: использование тонкопленочной укладки для снижения потерь на вихревые токи в высокочастотных приложениях.

Заключение

Гистерезис, B-H и J-H графики изображают основные зависимости, которые позволяют понять и улучшить магнетизм материалов. Обратимая намагниченность в рэлеевской области и собственная коэрцитивная сила постоянных магнитов - свойства, которые не только позволяют понять микроструктуру материалов, но и облегчают их использование в современной науке и технике. Благодаря постоянному прогрессу материаловедения создание новых магнитных веществ будет способствовать внедрению высокоэффективных технологий с низкими потерями и позволит внедрять инновации в энергетику, хранение данных и здравоохранение.

Ethan Huang

Я занимаюсь научно-популярной литературой о магнитах. Мои статьи в основном посвящены принципам их действия, применению и анекдотам. Наша цель - предоставить читателям ценную информацию, помочь каждому лучше понять очарование и значение магнитов. В то же время мы будем рады услышать ваши мнения о потребностях, связанных с магнитами. Не стесняйтесь следовать за нами и сотрудничать с нами, ведь мы вместе исследуем бесконечные возможности магнитов!

Все сообщения