Manyetik histeresis

Demir gibi ferromanyetik bir madde, harici bir manyetik alan içerisine girdiğinde o maddeyi oluşturan atomlar, kutupları aynı yöne bakacak şekilde dizilirler. Bu da maddenin mıknatıs özelliği göstermesini sebep olur. Manyetik alan ortadan kaldırılsa dahi atomların bir kısmının hizası bozulmaz ve madde mıknatıslık özelliği sergilemeye devam eder. Bu mıknatıslanma, bazı element ve alaşımlar için kalıcı olabilir; bazılarında ise manyetik alan etkisinden çıktıktan sonra zaman içerisinde mıknatıslık etkisi kaybolur. Manyetik alan etkisi altında kalıcı olarak mıknatıslanan maddeler, Curie sıcaklığına kadar ısıtılarak ya da ilk duruma ters yönde bir manyetik alan oluşturularak eski haline döndürülebilirler. Harddiskler gibi manyetik kayıt ortamları, bu prensibe göre çalışmaktadır.

Bu tip malzemelerde manyetik alan şiddeti ve mıknatıslanma arasındaki ilişki lineer değildir. Mıknatıslanan bir malzeme eğer demanyatize () olursa, (mıknatıslanma) olayı ilk mıknatıslanma eğrisini takip edecek şekilde oluşur. Bu eğri başlarda yüksek bir eğime sahiptir ancak sonrasında malzeme manyetik doygunluğa (magnetic saturation) ulaşma noktasına yaklaştıkça bu eğrinin eğimi de azalır; malzeme doygunluğa ulaştıktan sonra manyetik alanın şiddetini arttırsak dahi malzemeyi daha fazla mıknatıslandıramayız. Bu noktadan sonra manyetik alanın şiddetini azaltırsak, bu sefer eğri daha farklı bir yol izlemeye başlar. Manyetik alan şiddeti sıfıra düştüğünde malzeme üzerinde hala bir miktar mıknatıslanma olduğu görülür ve bu mıknatıslanmaya da retentivite (remanence) denir. ilişkisi iki zıt yönde etkiyen manyetik alanlarda da gözlendiğinde ise histeresis eğrisi ortaya çıkar. Eğrinin orta kısmının genişliği, malzemenin coercivity (hc) değerinin tam olarak iki katına eşittir.

Mıknatıslanma eğrisine daha yakından bakıldığında Barkhausen etkisi denilen küçük ve rastgele sıçramalar görülür. Bu etki, dislokasyon da denilen çizgisel kusurlar gibi kristal yapı kusurlarının, malzemenin mıknatıslanması üzerindeki etkileridir.

Manyetik histeresis eğrilerinin oluşması durumu, ferromanyetik özellik gösteren malzemelere özgü değildir. Spin camı gibi farklı durumlar için de manyetik histeresis eğrisinin oluşumu söz konusudur.

Ferromanyetik malzemelerde histeresis eğrisinin oluşması, iki temel etki sebebiyle gerçekleşir: mıknatıslanmanın yön değiştirmesi ve mıknatıssal bölgeciklerin boyutlarının ya da sayılarının artması. Mıknatıslanmanın yönü, genel olarak mıknatısın farklı bölgelerinde büyüklük olarak olmasa da yön olarak farklılık gösterir. Çok küçük mıknatıslarda ise bu davranışa rastlanmaz. Tek mıknatıssal bölgeciğe sahip bu mıknatıslardaki (single-domain magnet) mıknatıslanma davranışı, içine girdiği manyetik alana göre yönünü çevirme şeklindedir. Tek mıknatıssal bölgeciğe sahip mıknatıslar, güçlü ve kararlı bir mıknatıslanmaya ihtiyaç duyulan uygulamalarda tercih edilmektedir. (örnek: manyetik kayıt).

Mıknatıslar, domain denilen küçük bölgeciklerden oluşmaktadır. Bu bölgelerin kendi içerisinde mıknatıslanma yönü farklılık göstermez, aynı bölge içerisindeki her noktada aynıdır. Ancak bu bölgecikler arasında domain (bölgecik) duvarları denilen ve genel olarak 100-150 atom kalınlığında ince sınırlar mevcuttur. Yan yana bulunan ancak farklı yönlerde mıknatıslanmış iki ayrı bölge, dışarıdan gelen bir etkiyle aynı yönde mıknatıslanabilirler ve bu durumda bölgeciklerin boyutu, duvarların yer değiştirmesi suretiyle büyür ya da küçülür. Bu durumda artık iki farklı bölgecik değil, aynı yönde mıknatıslanmış tek bir bölgeciğin varlığından söz edilebilir.

En çok bilinen deneysel histeresis modelleri, Preisach ve Jiles-Atherton modelleridir. Bu modeller, histeresis eğrisinin yüksek hassasiyetle modellenmesine olanak tanırlar ve bu nedenle de endüstri tarafında geniş bir kullanım alanına sahiptirler. Yine de bu modeller, konuyla ilgili termodinamik ve enerji kuramlarıyla birebir örtüşmemektedir. Diğer yandan son dönemlerde ortaya konulan modeller ise, daha tutarlı termodimanik formülasyonlar üzerine kurulmuşlardır. Örnek olarak VINCH modeli, işleme sertleşmesi (work hardening) yasaları ve termodinamiğin tersinmez tepkimeleri esas alarak oluşturulmuştur.

Ferromıknatıslar ve bunların histeresis eğrisinin, birçok pratik uygulaması vardır. Bilgilerin korunması ve saklanması konusunda avantaj sağlayan bu özellik, manyetik bant, sabit diskler ve kredi kartlarını mümkün kılan temel prensiplerdendir. Hafızada tutulan bilgilerin kolaylıkla silinmemesi ve güvenle saklanabilmesi istendiğinden bu uygulamalarda, demir gibi coercivity değeri yüksek olan mıknatıslanabilir maddeler tercih edilir ve bunlara sert manyetik malzemeler denir.

Yumuşak manyetik malzemeler ise elektromıknatıslar için çekirdek görevi görürler. Mıknatıssal momentlerin manyetik alandaki değişimlere verdiği ve histerezis eğrisinde gözlemlenebilen düzensiz (non-lineer) tepki, bu çekirdeğin etrafına sarılı olan bobini de tepki vermeye zorlar. Bu yüzden yumuşak manyetik malzemelerin kullanıldığı sistemlerde, malzemenin mıknatıslandırılıp sonra tekrar eski haline döndürülmesi sırasında yaşanan enerji kayıpları daha düşüktür.