磁滞现象是什么?关于磁滞现象的详细介绍

创闻科学2020-11-16 15:55:00

当外部磁场施加到铁磁体(如铁)上,并且原子偶极子与其对齐排列时,就会产生磁滞现象。即使磁场被移除,部分排列仍将保留:材料已被磁化。一旦磁化,磁铁将无限期保持磁化状态。消磁需要热量或相反方向的磁场,这是在硬盘驱动器中提供内存元素的效果。

在这种材料中,场强H与磁化强度M之间的关系不是线性的。如果磁体被消磁(H=M=0),并且为了增加场强水平绘制H和M之间的关系,则M遵循初始磁化曲线。这条曲线首先迅速增加,然后接近一条叫做磁饱和的渐近线。如果磁场现在单调减小,那么磁场会遵循一条不同的曲线。零场强时,磁化强度偏离原点一个称为剩磁的量。如果对所施加磁场的所有强度绘制H-M关系,则结果是一个磁滞回线,称为主回线。沿着H轴的中间部分的宽度是材料矫顽力的两倍。(第1章)。

近距离观察磁化曲线,通常会发现磁化过程中一系列小的随机磁化跳跃,称为巴克豪森跳跃。这种效应是由于晶体缺陷(如位错)所引起的。(第15章)。

磁滞回线并不是铁磁有序材料所独有的。其他磁性排序,如自旋玻璃排序,也显示出这种现象。

物理起源

铁磁材料中的磁滞现象是两种效应的结果:磁化旋转和磁畴大小或数量的变化。一般来说,磁体的磁化强度会变化(方向不同,但幅度不同),但在足够小的磁体中,磁化强度不会变化。在这些单畴磁体中,磁化通过旋转来响应磁场。只要需要强而稳定的磁化强度,就可以使用单畴磁体(例如磁记录)。

较大的磁体被分成称为磁畴的区域。在每个畴内,磁化强度不变;但是畴之间是相对薄的畴壁,其中磁化方向从一个畴的方向旋转到另一个畴的方向。如果磁场发生变化,磁畴壁就会移动,从而改变磁畴的相对大小。由于磁畴的磁化方向不同,所以单位体积的磁矩比单磁畴磁体中的磁矩小;但是磁畴壁只涉及一小部分磁化的旋转,所以改变磁矩要容易得多。磁化强度也可以通过增加或减少磁畴(称为成核和去核)来改变。

模型

滞后现象中最著名的经验模型是普莱萨克模型和吉利斯-阿泽顿模型。这些模型允许对磁滞回线进行精确建模,并广泛应用于工业中。

然而,这些模型与热力学失去了联系,能量的一致性也得不到保证。最近,一个具有更一致热力学基础的模型,是Lavet等人(2011)提出的矢量增量非保守一致滞后(VINCH)模型。该模型是受到随动硬化定律和不可逆过程热力学的启发。特别是,除了提供精确的建模之外,存储的磁能和耗散的能量始终是已知的。所获得的增量公式是变量一致的,即所有内部变量都遵循热力学势的最小化。这就允许容易地获得矢量模型,而普赖扎赫和吉利斯-阿泽顿模型基本上是标量模型。

应用程序

磁滞理论在磁性材料中的应用有很多种。其中许多是利用它们保留内存的能力,例如磁带、硬盘和信用卡。在这些应用中,像铁这样的硬磁体(高矫顽力)是理想的,因此存储器不容易擦除。

软磁(低矫顽力)用作变压器和电磁铁的铁芯。磁矩对磁场的响应增强了缠绕在它周围的线圈的响应。较低矫顽力降低了与磁滞相关的能量损失。

从太空时代开始,磁滞材料(软镍铁棒)就被用于抑制低地球轨道卫星的角运动。