Orice miez electromagnetic după acțiunea unui curent electric păstrează un câmp magnetic pentru o perioadă de timp (magnetism rezidual). Această valoare depinde de proprietățile materialului, dar magnetismul rezidual este întotdeauna prezent. Pentru a remagnetiza miezul, este necesar un flux magnetic invers. Modificarea inducției magnetice nu are timp să schimbe fluxul magnetic. Această întârziere a timpului de magnetizare a miezului datorată unei schimbări în direcția fluxurilor magnetice este denumită histereză.
Pentru a înțelege întreaga esență a acestui fenomen, este necesar să se ia în considerare capacitatea substanțelor de magnetizare.
Proprietăți magnetice ale substanțelor
Toate substanțele din natura înconjurătoare au o anumită măsură proprietăți magnetice. Chiar și în cele mai vechi timpuri, capacitatea uimitoare a unor minerale de a atrage obiecte de fier era cunoscută. Printre numeroasele instrumente de navigație necesare pentru a stabili cursul unei nave sau a unui avion trebuie să existe o busolă magnetică.
În cele mai precise instrumente de măsurare, magneții permanenți se numără printre părțile principale. Se știe că nu numai fierul are proprietăți magnetice puternice. Acestea includ cobaltul, nichelul, aliajele și unele elemente de pământuri rare. Toate aceste substanțe și aliaje se numesc ferromagneți. Își unește capacitatea de magnetizare spontană spontană.
Această proprietate a feromagneților este utilizată atunci când se creează magneți permanenți. Prezența momentelor magnetice necompensate în atomii de atomi este o condiție necesară pentru apariția feromagnetismului.
În experimentul lui Einstein, prin cantitatea de răsucire în timpul magnetizării probei, sa dovedit că feromagnetismul este asociat cu momentele magnetice de spin ale electronilor. Interacțiunea de schimb a electronilor la anumite rapoarte ale diametrului atomului și a carcasei interne neîncărcate conduce la o orientare paralelă a rotirilor.
Este posibilă numai dacă integrarea energiei de schimb este pozitivă.
În analiza finală, se stabilește o orientare în rotație într-un feromagnet, care asigură valoarea minimă a sumei energiilor interacțiunilor magnetice și de schimb.
O regiune cu magnetizare omogenă spontană se numește domeniu. Este energetic cel mai avantajos pentru un astfel de aranjament de domenii în care acestea creează un circuit magnetic închis.
Între domeniile vecine cu o direcție diferită de magnetizare, există straturi de tranziție numite limite sau pereți ai domeniului. În ele se produce o rotație graduală a vectorului de magnetizare.
Proprietățile feromagnetice ale substanțelor există numai într-un anumit interval de temperatură. Temperatura la care feromagneții își pierd complet proprietățile feromagnetice se numește punctul Curie. Forma și magnitudinea domeniilor de pe suprafața feromagnetului pot fi văzute sub microscop
În celula elementară cristalină de fier, marginile cubului corespund direcției celei mai ușoare magnetizări a cristalului de fier. Diagonalele fețelor sunt determinate de direcția magnetizării medii.
Direcția celei mai dificile magnetizări coincide cu diagonalele cubului. Zona de pe graficul caracterizează energia anizotropiei magnetice.
În absența unui câmp extern, momentele magnetice ale domeniilor sunt orientate de-a lungul direcțiilor de magnetizare ușoară. În general, eșantionul este demagnetizat.
În câmpuri slabe cresc domeniile, direcția de magnetizare a acestora fiind un unghi mai mic cu direcția câmpului exterior.
Acest proces este reversibil. Dacă câmpul extern este eliminat, eșantionul va fi demagnetizat. Cu o creștere a câmpului extern, apare o creștere ulterioară a domeniilor, care este suspendată din cauza defectelor de cristal. Când câmpul atinge o anumită valoare, pereții domeniilor în creștere se sară brusc. Datorită acestui obstacol, curba de magnetizare are un caracter pas.
Schimbările bruște ale magnetizării creează impulsuri de tensiune în bobina solenoidului. Cu o creștere suplimentară a câmpului, vectorul de magnetizare se rotește din axa magnetizării ușoare către câmpul extern, până când coincid.
histerezis
Această secțiune se numește regiunea de saturație tehnică a feromagnetului și valoarea câmpului corespunzător, câmpul de saturație. Dacă acest câmp este redus la zero, magnetizarea reziduală va rămâne în eșantion.
Hysterezisul este fenomenul de magnetizare rămasă în urma rezistenței câmpului exterior. Domeniile de închidere, creând un circuit magnetic închis, reduc câmpurile de împrăștiere și reduc energia liberă a probei.
Este definită ca diferența dintre valorile saturației magnetice a feromagnetului și magnetizarea domeniilor de închidere. Pentru a demagneza un eșantion, este necesar să se aplice un câmp negativ, numit forță coercitivă. Când câmpul atinge valoarea de saturație, apare o inversare completă a magnetizării feromagnetului.
Pe diagramă puteți defini o altă proprietate care are o histereză. Cu următoarea modificare a câmpului, curba de magnetizare închide bucla, care se numește buclă de histerezis.
Bucla de histerezis pentru condiția de saturație se numește buclă de limită. Suprafața sa este proporțională cu pierderea de energie pentru remagnetizarea eșantionului. Ferromagneții magnetează, își schimbă dimensiunile liniare. Acest fenomen se numește magnetostricție.
Două grupuri principale de materiale feromagnetice se disting:
Una dintre cerințele de bază pentru materialele magnetice moi este forța lor mare de coerciție. Materialele magnetice moi sunt magnetizate până la saturație pe câmpuri mici și au mici pierderi pentru remagnetizare. Pierderea de energie a transformatorului depinde de acești parametri.
De exemplu, pe o linie de transport de energie electrică cu o capacitate de 100 x 10 6 VA cu transformatoare la capete, pierderile anuale sunt de aproximativ 5 milioane kilowați-oră. Unul dintre cei mai buni reprezentanți ai materialelor magnetice moi este considerat permalloy - un aliaj de fier și nichel. Magnetizarea permalloyi în câmpuri slabe este de zeci de ori mai mare decât magnetizarea fierului. Structurile magnetice comandate în unele substanțe diferă de structura magnetică a feromagneților.
Dacă în fier, momentele magnetice ale fierului, cobaltului și nichelului sunt direcționate în paralel, atunci în crom și mangan este antiparalel. Astfel de substanțe se numesc antiferromagneți.
În acest caz, sublaturile magnetice cu magnetizare spontană sunt compensate. Dacă nu există o compensare completă a sublaturilor magnetice în cristalele materialului, se numește ferimagnet. Ferita este unul dintre exemplele de ferimagnete utilizate pe scară largă în inginerie. Structura feritelor este similară structurii mineralelor spinel, în care ionii metalelor neferomagnetice sunt înlocuiți cu metale feromagnetice.
Histerezis în inginerie electrică și electronică
Dintr-o varietate de exemple de utilizare a materialelor feromagnetice, să vorbim despre utilizarea lor în dispozitivele de memorie. Pentru a stoca rapid informațiile, memoria este utilizată pe inele de ferită. Un singur fir de ferită este suficient pentru a stoca câte un bit de informație. Ca dispozitive de stocare pe termen lung sunt discuri magnetice speciale (declanșatoare Schmidt).
De asemenea, este utilizat în motoarele electrice de histereză specială, dispozitive de reducere a zgomotului (bounce contact, oscilații etc.) la comutarea circuitelor logice.
În multe dispozitive electronice, există histerezis termic. În timpul funcționării, dispozitivele sunt încălzite și după răcire unele proprietăți nu mai iau valorile inițiale. Atunci când chips-urile sunt încălzite, plăcile cu circuite imprimate, cristalele semiconductoare se extind, apare stresul mecanic. Când este răcit, această tensiune rămâne într-o anumită măsură.