Будь електромагнітний сердечник після дії електричного струму якийсь час зберігає магнітне поле (залишковий магнетизм). Ця величина залежить від властивостей матеріалу, але залишковий магнетизм завжди є. Щоб перемагнитилось сердечник, необхідний магнітний потік зворотного напрямку. Зміна магнітної індукції не встигає за зміною магнітного потоку. Ця затримка за часом намагнічування сердечника через зміну напрямку магнітних потоків і іменується як гістерезис.
Щоб зрозуміти всю сутність цього явища, необхідно розглянути здатність речовин до намагнічування.
Магнітні властивості речовин
Всі речовини в навколишньому нас природі в тій чи іншій мірі володіють магнітними властивостями. Ще в давні часи була відома дивовижна здатність деяких мінералів притягувати залізні предмети. Серед численних навігаційних приладів, необхідних для прокладання курсу корабля або літака, обов'язково присутній магнітний компас.
У найточніших вимірювальних приладах до числа основних деталей відносяться постійні магніти. Відомо, що сильними магнітними властивостями володіє не тільки залізо. Сюди входять кобальт, нікель, сплави на їх основі і деякі рідкоземельні елементи. Всі ці речовини і сплави називають феромагнетиками. Об'єднує їх здатність до мимовільної спонтанної намагніченості.
Це властивість феромагнетиків використовують при створенні постійних магнітів. Наявність в атомах речовини не компенсуються магнітних моментів є необхідною умовою виникнення феромагнетизму.
Під час експерименту Ейнштейна за величиною закручування при намагнічуванні зразка було доведено, що феромагнетизм пов'язаний зі спінові магнітними моментами електронів. Обмінна взаємодія електронів при певних співвідношеннях діаметра атома і внутрішньої незаповненою оболонки призводять до паралельної орієнтації спінів.
Вона можлива тільки при позитивному значенні інтеграла обмінної енергії.
В кінцевому рахунку, в ферромагнетике встановлюється така орієнтація спінів, яка забезпечує мінімальне значення суми енергій магнітного і обмінного взаємодії.
Область з однорідної спонтанної намагніченістю називають доменом. Енергетично найбільш вигідно таке розташування доменів, при якому вони створюють замкнуту магнітну ланцюг.
Між сусідніми доменами з різним напрямком намагніченості є перехідні шари, звані межами або стінками домену. У них відбувається поступовий поворот вектора намагніченості.
Феромагнітні властивості у речовин існують тільки в певній галузі температури. Температура, при якій ферромагнетики повністю втрачають феромагнітні властивості, називають точкою Кюрі. Форму і величину доменів на поверхні феромагнетика можна побачити під мікроскопом
У елементарних кристалічних осередку заліза ребра куба відповідають напрямку найбільш легкого намагнічування кристала заліза. Діагоналі граней визначають напрямок середнього намагнічування.
Напрямок найбільш важкого намагнічування збігається з діагоналями куба. Площа на графіку характеризує енергію магнітної анізотропії.
При відсутності зовнішнього поля магнітні моменти доменів орієнтовані за напрямками легкого намагнічування. В цілому зразок розмагнічений.
У слабких полях відбувається зростання доменів, напрямок намагніченості яких становить менший кут з напрямком зовнішнього поля.
Цей процес звернемо. Якщо зовнішнє поле прибрати, зразок розмагнітиться. При збільшенні зовнішнього поля відбувається подальше зростання доменів, який припиняється через дефекти кристала. Коли поле досягає певної величини, стінки зростаючих доменів стрибком долають перешкоду. За рахунок цього перешкоди крива намагніченості має ступінчастий характер.
Стрибкоподібні зміни намагніченості створюють в котушці соленоїда імпульси напруги. З подальшим збільшенням поля вектор намагніченості повертається від осі легкого намагнічування в сторону зовнішнього поля, поки вони не співпадуть.
гістерезис
Ця ділянка називають областю технічного насичення феромагнетика, а відповідну величину поля, полем насичення. Якщо від цієї величини поле зменшити до нуля, в зразку збережеться залишкове намагнічування.
Гістерезис - це явище відставання намагніченості від напруженості зовнішнього поля. Замикають домени, створюючи замкнуту магнітну ланцюг, знижують поля розсіювання і зменшують вільну енергію зразка.
Його визначають, як різницю величин магнітного насичення феромагнетика і намагніченості замикаючих доменів. Щоб розмагнітити зразок, необхідно прикласти до нього негативне поле, зване коерцитивної силою. Коли поле досягне величини насичення, відбудеться повне перемагнічування феромагнетика.
На графіку можна визначити ще одна властивість, яке має гістерезис. При черговому зміні поля крива намагнічування замикає петлю, яку називають петлею гистерезиса.
Гістерезисна петля для умови насичення називається граничною петлею. Її площа пропорційна втратам енергії на перемагнічування зразка. Ферромагнетики намагнічуючись, змінюють свої лінійні розміри. Це явище називають магнітострикцією.
Виділяються дві основні групи феромагнітних матеріалів:
Одне з основних вимог до магнітомягкого матеріалами - їх висока коерцитивної сила. Магнитомягкие матеріали намагнічуються до насичення при невеликих полях і мають малі втрати на перемагнічування. Від цих параметрів залежить втрата енергії трансформатора.
Наприклад, в лінії електропередач потужністю 100 × 10 6 ВА з трансформаторами на кінцях, щорічні втрати становлять близько 5 мільйонів кіловат-годин. Одним з кращих представників магнитомягких матеріалів вважають пермаллой - сплав заліза і нікелю. Намагніченість пермаллоя в слабких полях в десятки разів перевершує намагніченість заліза. Магнітні впорядковані структури в деяких речовинах відрізняються від магнітної структури феромагнетиків.
Якщо в залозі, кобальті і нікелі спінові магнітні моменти спрямовані паралельно, то в хромі і марганцю - антипараллельно. Такі речовини називають антиферромагнетиками.
В даному випадку магнітні підґратки з мимовільної намагніченістю компенсовані. Якщо в кристалах речовини немає повної компенсації магнітних подрешеток, то його називають феримагнетика. Ферит - один із прикладів феримагнетиків, який широко використовують в техніці. Структура феритів подібна до структури мінералів шпінелі, в якому іони неферомагнітних металів замінені феромагнітними.
Гістерезис в електротехніці і електроніці
З різноманіття прикладів використання феромагнітних матеріалів розповімо про застосування їх в запам'ятовуючих пристроях. Для оперативного запам'ятовування інформації використовують пам'ять на феритових кільцях. Одного ферритового сердечника досить для запам'ятовування одного біта інформації. Як довготривалих запам'ятовуючих пристроїв великої ємності служать спеціальні магнітні диски (тригери Шмідта).
Також він використовується в спеціальних гістерезисних електромоторах, пристроях шумозаглушення (брязкіт контактів, коливання і т.д.) при комутації логічних схем.
У багатьох електронних пристроях існує теплової гистерезис. Під час роботи прилади нагріваються, а після охолодження деякі властивості вже не приймають початкові значення. При нагріванні мікросхеми, друковані плати, кристали напівпровідників розширюються, з'являється механічне напруження. При охолодженні це напруга в якійсь мірі залишається.