Особенности доменного типа намагничивания. Влияние температуры. Сущность явления гистерезиса.

явление, которое состоит в том, что физическая величина, характеризующая состояние тела (например,намагниченность), неоднозначно зависит от физические величины, характеризующей внешние условия(например, магнитного поля). Г. наблюдается в тех случаях, когда состояние тела в данный момент времениопределяется внешними условиями не только в тот же, но и в предшествующие моменты времени.Неоднозначная зависимость величин наблюдается в любых процессах, т.к. для изменения состояния телавсегда требуется определённое время (время релаксации (См. Релаксация)) и реакция тела отстаёт отвызывающих её причин. Такое отставание тем меньше, чем медленнее изменяются внешние условияОднако для некоторых процессов отставание при замедлении изменения внешних условий не уменьшается.В этих случаях неоднозначную зависимость величин называется гистерезисной, а само явление — Г.

Г. наблюдается в различных веществах и при разных физических процессах. Наибольший интереспредставляют: магнитный Г., диэлектрический Г. и упругий Г.

Магнитный Г. наблюдается в магнитных материалах, например в ферромагнетиках (См.Ферромагнетики). Основной особенностью ферромагнетиков является наличие спонтанной(самопроизвольной) намагниченности. Обычно ферромагнетик намагничен не однородно, а разбит надоме́ны — области однородной спонтанной намагниченности, у которых величина намагниченности(магнитного момента единицы объема) одинакова, а направления различны. Под действием внешнегомагнитного поля число и размеры доменов, намагниченных по полю, увеличиваются за счёт др. доменов.Кроме того, магнитные моменты отдельных доменов могут поворачиваться по полю. В результате магнитныймомент образца увеличивается.

На рис. 1 изображена зависимость магнитного момента М ферромагнитного образца от напряжённостиН внешнего магнитного поля (кривая намагничивания). В достаточно сильном магнитном поле образецнамагничивается до насыщения (при дальнейшем увеличении поля значение М практически не изменяется,точка А). При этом образец состоит из одного домена с магнитным моментом насыщения M_s, направленнымпо полю. При уменьшении напряжённости внешнего магнитного поля Н магнитный момент образца М будетуменьшаться по кривой I преимущественно за счёт возникновения и роста доменов с магнитным моментом,направленным против поля. Рост доменов обусловлен движением доменных стенок. Это движениезатруднено из-за наличия в образце различных дефектов (примесей, неоднородностей и т.п.), которыезакрепляют доменные стенки в некоторых положениях; требуются достаточно сильные магнитные поля длятого, чтобы их сдвинуть. Поэтому при уменьшении поля Н до нуля у образца сохраняется т. н. остаточныймагнитный момент M_r (точка В).

Образец полностью размагничивается лишь в достаточно сильном поле противоположногонаправления, называемом коэрцитивным полем (коэрцитивной силой (См. Коэрцитивная сила)) Н_с (точка С).При дальнейшем увеличении магнитного поля обратного направления образец вновь намагничивается вдольполя до насыщения (точка D). Перемагничивание образца (из точки D в точку А) происходит по кривой II. Т.о., при циклическом изменении поля кривая, характеризующая изменение магнитного момента образца,образует петлю магнитного Г. Если поле Н циклически изменять в таких пределах, что намагниченностьнасыщения не достигается, то получается непредельная петля магнитного Г. (кривая III). Уменьшаяамплитуду изменения поля Н до нуля, можно образец полностью размагнитить (прийти в точку О).Намагничивание образца из точки О происходит по кривой IV.

При магнитном Г. одному и тому же значению напряжённости внешнего магнитного поля Нсоответствуют разные значения магнитного момента М. Эта неоднозначность обусловлена влияниемсостояний образца, предшествующих данному (т. е. магнитной предысторией образца).

Вид и размеры петли магнитного Г., величина Н_с в различных ферромагнетиках могут меняться вшироких пределах. Например, в чистом железе Н_с = 1 э, в сплаве магнико Н_с = 580 э. На петлю магнитного Г.сильно влияет обработка материала, при которой изменяется число дефектов (рис. 2).

Площадь петли магнитного Г. равна энергии, теряемой в образце за один цикл изменения поля. Этаэнергия идёт, в конечном счёте, на нагревание образца. Такие потери энергии называются гистерезисными.В тех случаях, когда потери на Г. нежелательны (например, в сердечниках трансформаторов, в статорах ироторах электрических машин), применяют магнитномягкие материалы, обладающие малым Н_с и малойплощадью петли Г. Для изготовления постоянных магнитов, напротив, требуются магнитножёсткиематериалы с большим Н_с.

С ростом частоты переменного магнитного поля (числа циклов перемагничивания в единицу времени) кгистерезисным потерям добавляются др. потери, связанные с вихревыми токами (См. Вихревые токи) имагнитной вязкостью (См. Магнитная вязкость). Соответственно площадь петли Г. при высоких частотахувеличивается. Такую петлю иногда называют динамической петлей, в отличие от описанной вышестатической петли.

От магнитного момента зависят многие др. свойства ферромагнетика, например электрическоесопротивление, механическая деформация. Изменение магнитного момента вызывает изменение и этихсвойств. Соответственно наблюдается, например, гальваномагнитный Г., магнитострикционный Г.

Диэлектрический Г. наблюдается обычно в сегнетоэлектриках (См. Сегнетоэлектрики), напримертитанате бария. Зависимость поляризации Р от напряжённости электрического поля Е в сегнетоэлектриках(рис. 3) подобна зависимости М от Н в ферромагнетиках и объясняется наличием спонтанной электрическойполяризации, электрических доменов (См. Домены) и трудностью перестройки доменной структуры.Гистерезисные потери составляют большую часть диэлектрических потерь (См. Диэлектрические потери) всегнетоэлектриках.

Поскольку с поляризацией связаны др. характеристики сегнетоэлектриков, например деформация, то сдиэлектрическим Г. связаны др. виды Г., например пьезоэлектрический Г. (рис. 4), Г. электрооптическогоэффекта (См. Электрооптический эффект). В некоторых случаях наблюдаются двойные петлидиэлектрического Г. (рис. 5). Это объясняется тем, что под влиянием электрического поля в образцепроисходит фазовый переход с перестройкой кристаллической структуры. Такого рода диэлектрический Г.тесно связан с Г. при фазовых переходах.

Упругий Г., т. е. гистерезисная зависимость деформации и от механического напряжения σ,наблюдается в любых реальных материалах при достаточно больших напряжениях (рис. 6). Упругий Г.возникает всякий раз, когда имеет место пластическая (неупругая) деформация (см. Пластичность).Пластическая деформация обусловлена перемещением дефектов, например дислокаций (См. Дислокации),всегда присутствующих в реальных материалах. Примеси, включения и др. дефекты, а также самакристаллическая решётка стремятся удержать дислокацию в определенных положениях в кристалле.Поэтому требуются напряжения достаточной величины, чтобы сдвинуть дислокацию. Механическаяобработка и введение примесей приводят к закреплению дислокаций, в результате чего происходитупрочнение материала, пластическая деформация и упругий Г. наблюдаются при больших напряжениях.Энергия, теряемая в образце за один цикл, идёт в конечном счёте на нагревание образца. Потери на упругийГ. дают вклад во Внутреннее трение. В случае упругих деформаций, помимо гистерезисных, есть и др.потери, например обусловленные вязкостью (См. Вязкость магнитная). Величина этих потерь, в отличие отгистерезисных, зависит от частоты изменения σ (или и). Иногда понятие «упругий Г.» употребляется шире —говорят о динамической петле упругого Г., включающей все потери на данной частоте.

Лит.: Киренский Л. В., Магнетизм, 2 изд., М., 1967; Вонсовский С. В., Современное учение омагнетизме, М. — Л., 1952; Бозорт Р., Ферромагнетизм, пер. с англ., М., 1956; Иона Ф., Ширане Д.,Сегнетоэлектрические кристаллы, пер. с англ., М., 1965; Постников В. С., Внутреннее трение в металлах, М.,1969; Физический энциклопедический словарь, т. 1, М., 1960.

А. П. Леванюк, Д. Г. Санников.

Рис. 1. Петля магнитного гистерезиса для ферромагнетика: Н — напряжённость магнитного поля; М —магнитный момент образца; Н_с — коэрцитивное поле; M_r — остаточный магнитный момент; M_s — магнитныймомент насыщения. Пунктиром показана непредельная петля гистерезиса. Схематически приведенадоме́нная структура образца для некоторых точек петли.

Рис. 2. Влияние механической и термической обработки на форму петли магнитного гистерезисапермалоя: 1 — после наклёпа; 2 — после отжига; 3 — кривая мягкого железа (для сравнения).

Рис. 3. Петля диэлектрического гистерезиса в сегнетоэлектрике: Р — поляризация образца; Е —напряжённость электрического поля.

Рис. 4. Петля гистерезиса обратного пьезоэлектрического эффекта в титанате бария: U — деформация:Е — напряжённость электрического поля.

Рис. 5. Двойная петля диэлектрического гистерезиса.

Рис. 6. Петля упругого гистерезиса: σ — механическое напряжение; u — деформация.