Ֆերոմագնիսական հիստերիզիս

Ֆերոմագնիսական հիստերիզիս (մագնիսական հիսթերիզիս),  ֆեռոմագնիսական նյութի մագնիսացվածության փոփոխման ետ ընկնելը արտաքին մագնիսական դաշտի լարվածությունից, որը պայմանավորված է մագնիսացվածության նախնական արժեքով։


== Ֆերոմագնիսականություն ==
Ֆերոմագնիսականությունը բազում ատոմների կոլեկտիվ երևույթ է և դիտվում է միայն բյուրեղում` որոշակի ջերմաստիճանային միջակայքում: Ֆերոմագնետիկի օրինակ է երկաթը: Կան նաև բաղադրյալ նյութեր՝ պինդ լուծույթներ, միացություններ, որոնց ֆերոմագնիսականությունը երբեմն շատ անգամ գերազանցում է երկաթի ֆերոմագնիսականությանը:

Ֆերոմագնետիկի առանձնահատկությունը՝ առանց արտաքին դաշտի, մինչև հագեցումը, ինքնակամ մագնիսանալն է: Սակայն, ֆերոմագնետիկի մեծ կտորի մագնիսական մոմենտը զրո է, այսինքն մագնիսաթափված է (տես. նկար 1,բ):
Ֆերոմագնետիկի միկրոբյուրեղը մագնիսացնելու, այսինքն` էլեկտրոնների սեփական մոմենտները համուղղելու աշխատանքը կախված է մագնիսացման ուղղությունից: Ըստ ուղղության մագնիսացնելու աշխատանքների տարբերությունը որոշում է բյուրեղի մագնիսական անիզոտրոպիան: Նվազագույն աշխատանքի ուղղությունը կոչվում է հեշտ մագնիսանալու ուղղություն: Ֆերոմագնետիկի մեծ բյուրեղում կամ պոլիբյուրեղում կա մի քանի հեշտ մագնիսանալու ուղղություն: Փոխանակային ուժերը էլեկտրոնների սպինը կողմնորոշում են այդ ուղղություններից մեկին համազուգահեռ (այդ ուժերի մեկնությունը մեր ծրագրից դուրս է): Ֆերոմագնետիկի ծավալում առաջանում են բազմաթիվ առանձին փոքր տիրույթներ, որոնց մագնիսացման 
  
    
      
        
          
            
              
                P
                
                  m
                
              
              →
            
          
        
      
    
    {\displaystyle {\vec {P_{m}}}}
   վեկտորների ուղղությունները տարբերվում են: Այդ տիրույթները կոչվում են դոմեններ (տես. նկար 1,ա): Հարևան դոմենների միջև բարակ սահմանային շերտում 
  
    
      
        
          
            
              
                P
                
                  m
                
              
              →
            
          
        
      
    
    {\displaystyle {\vec {P_{m}}}}
  -ը մի ուղղությունից սահուն փոխվում է մյուսին:
Ջերմային ցնցումները փոխանակային ուժերին հակառակ ձգտում են քայքայել ստեղծված կարգը: Սպինների մի մասը վերադասավորվում է 
  
    
      
        
          
            
              
                P
                
                  m
                
              
              →
            
          
        
      
    
    {\displaystyle {\vec {P_{m}}}}
  -ին հակազուգահեռ: Դրանից նվազում է նյութի մագնիսական ընկալունակությունը և թափանցելիությունը: Ջերմաստիճանի աճին զուգընթաց, տվյալ նյութին խիստ յուրահատուկ 
  
    
      
        
          T
          
            k
          
        
      
    
    {\displaystyle T_{k}}
  -ում հակազուգահեռ և համազուգահեռ սպինների թիվը հավասարվում է: Ինքնակամ մագնիսացումը վերանում է և ֆերոմագնետիկը թռիչքով վերափոխվում է պարամագնետիկի:
Դրանից հետո մագնիսական ընկալունակությունը որոշվում է Կյուրի-Վեյսի օրենքով`

  
    
      
        
          χ
          
            m
          
        
        =
        
          
            c
            
              T
              −
              
                T
                
                  k
                
              
            
          
        
      
    
    {\displaystyle \chi _{m}={\frac {c}{T-T_{k}}}}
  ,
որտեղ 
  
    
      
        
          T
          
            k
          
        
      
    
    {\displaystyle T_{k}}
  -n` Կյուրիի ջերմաստիճանն է, 
  
    
      
        T
      
    
    {\displaystyle T}
  -ն՝ բացարձակ ջերմաստիճանն է, իսկ 
  
    
      
        C
      
    
    {\displaystyle C}
  -ն՝ տվյալ նյութի հաստատունն է:


== Հիստերիզիս ==
Հիստերիզիսը (հուն. ὑστέρησις — ետ ընկնող) համակարգերի (ֆիզիկական, կենսաբանական և այլն) հատկություն  է, ըստ որի ակնթարթային արձագանքը արտաքին ազդակներին կախված է նաև համակարգի ներկա վիճակից, և հետագա պահվածքը կախված է համակարգի նախապատմությունից:


=== Ֆիզիկական բացատրություն ===

Ֆերոմագնետիկի լրիվ մագնիսական էներգիան դոմենների ներսում միկրոդիպոլների փոխազդեցության, հարևան դոմենների փոխազդեցության, դրանց մագնիսական դաշտի և այլ էներգիաների գումարն է: Բյուրեղի կայուն վիճակին համապատասխան է լրիվ էներգիայի նվազագույնը: Այս պայմանը որոշում է դոմենների չափը (
  
    
      
        
          10
          
            −
            5
          
        
      
    
    {\displaystyle 10^{-5}}
   
  
    
      
        ÷
      
    
    {\displaystyle \div }
   
  
    
      
        
          10
          
            −
            4
          
        
      
    
    {\displaystyle 10^{-4}}
  մետր) և բևեռացման վեկտորի ուղղությունը (տես. նկար 1,ա): Դրանք ինքնակամ բաշխվում են այնպես, որ արտաքին դաշտից դուրս ֆերոմագնետիկի հանրագումարյին մագնիսական մոմենտը հավասարվի զրոյի (բացառությամբ «կաշտ» ֆերոմագնետիկի` հաստատուն մագնիսի): Արտաքին դաշտում ֆերոմագնետիկը բևեռանում է (տես. նկար 1 բ,գ): Այդ երևույթը քննարկելու համար ենթադրենք, որ սկզբում ֆերոմագնետիկը մագնիսաթափված է, իսկ արտաքին դաշտը զրոյից է աճում (տես. նկար 2, 0-1 կորը): Սահմանային շերտի միկրոդիպոլները ենթակա են երկու հարևան դոմենների ազդեցությանը: Թույլ դաշտում դրանք համեմատաբար հեշտ են վերակողմնորոշվում: Դրա հետևանքով աճում են այն դոմենները, որոնց բևեռացման 
  
    
      
        
          
            
              
                P
                
                  m
                
              
              →
            
          
        
      
    
    {\displaystyle {\vec {P_{m}}}}
   վեկտորի և արտաքին 
  
    
      
        
          
            
              
                B
                
                  0
                
              
              →
            
          
        
      
    
    {\displaystyle {\vec {B_{0}}}}
   դաշտի միջև անկյունը փոքր է, իսկ մյուսները` նվազում են: Դաշտի հետագա աճը վերացնում է դոմենային կառուցվածքը` բոլոր 
  
    
      
        
          
            
              
                P
                
                  m
                
              
              →
            
          
        
      
    
    {\displaystyle {\vec {P_{m}}}}
   վեկտորները համուղղվում են և 
  
    
      
        
          
            
              
                B
                
                  0
                
              
              →
            
          
        
      
    
    {\displaystyle {\vec {B_{0}}}}
  -ի հետ նվազագույն անկյուն են կազմում (տես. նկար 1,գ):
Ավելի ուժեղ դաշտում ամբողջ նմուշի բևեռացման վեկտորը ընդունում է 
  
    
      
        
          
            
              B
              →
            
          
        
      
    
    {\displaystyle {\vec {B}}}
  -ի ուղղությունը՝ ֆերոմագնետիկը հագենում է (տես. նկար 2, 1 կետը): Այդ վիճակում մագնիսացումն առավելագույնն է և այլևս կախված չէ արտաքին դաշտից: Լրիվ դաշտն աճում է միայն արտաքին դաշտի շնորհիվ` 
  
    
      
        △
        
          
            
              B
              →
            
          
        
        =
        △
        
          
            
              
                B
                
                  0
                
              
              →
            
          
        
      
    
    {\displaystyle \vartriangle {\vec {B}}=\vartriangle {\vec {B_{0}}}}
  , իսկ մագնիսական թափանցելիությունը ձգտում է մեկի`

  
    
      
        μ
        =
        
          
            
              Δ
              
                
                  
                    B
                    →
                  
                
              
            
            
              Δ
              
                
                  
                    
                      B
                      →
                    
                  
                
                
                  0
                
              
            
          
        
        =
        t
        g
        α
        →
        1
        :
      
    
    {\displaystyle \mu ={\frac {\Delta {\vec {B}}}{\Delta {\vec {B}}_{0}}}=tg\alpha \rightarrow 1:}
  
Երկաթի և դրա համաձուլվածքների հագեցման դաշտի ինդուկցիան ~2 ܶ
  
    
      
        T
      
    
    {\displaystyle T}
  (Տեսլա) է: Եթե էլեկտրամագնիսի դաշտը դրանից ավելի է, ապա երկաթե միջուկն անօգուտ, երբեմն նաև վնասարար է:
Երբ արտաքին դաշտը հագեցման վիճակից նվազում է ֆերոմագնետիկը սկսում է ապամագնիսանալ, որի ընթացքում մագնիսացման քայլերը կրկնվում են հակառակ հաջորդականությամբ: Սակայն կարգավորված միկրոդիպոլների համակարգն իր ներքին փոխազդեցության ուժերով ձգտում է պահպանել նախկին կարգը: Դրանք նման են մածուցիկ շփման ուժերին: Դրա հետևանքով ապամագնիսացումն ընթանում է 1-2 կորով: Երբ արտաքին դաշտը նվազում է մինչև զրո` 
  
    
      
        
          
            
              
                B
                →
              
            
          
          
            0
          
        
      
    
    {\displaystyle {\vec {B}}_{0}}
  = 0, ֆերոմագնետիկը մնում է մագնիսացված` 
  
    
      
        
          
            
              
                B
                →
              
            
          
          
            m
          
        
      
    
    {\displaystyle {\vec {B}}_{m}}
   մնացորդային ինդուկցիայով: Ֆերոմագնետիկը նորից տրոհվում է դոմենների, քանի որ այդ վիճակն ավելի կայուն է:
Հակառակ ուղղված 
  
    
      
        
          
            
              
                B
                →
              
            
          
          
            0
          
        
      
    
    {\displaystyle {\vec {B}}_{0}}
  -ն ձգտում է դոմենների 
  
    
      
        
          
            
              
                P
                →
              
            
          
          
            m
          
        
      
    
    {\displaystyle {\vec {P}}_{m}}
   մագնիսացումը շրջել 180°-ով: Դրանից այնքան է թուլանում հարևան դոմենների փոխազդեցությունը, որ ջերմային ցնցումների հետևանքով դոմենների մագնիսացման վեկտորների ուղղությունները քաոսային են բաշխվում: Երբ 
  
    
      
        
          B
          
            0
          
        
        =
        −
        
          B
          
            k
          
        
      
    
    {\displaystyle B_{0}=-B_{k}}
   մնացորդային մագնիսացումը վերանում է: 
  
    
      
        
          B
          
            k
          
        
      
    
    {\displaystyle B_{k}}
  -ն կոչվում է ֆերոմագնետիկի կոերցիտիվ ուժ (զսպող ուժ):
Եթե 
  
    
      
        
          B
          
            0
          
        
      
    
    {\displaystyle B_{0}}
  -ն բացասական իմաստով շարունակում է աճել, ապա ֆերոմագնետիկը մինչև հագեցումը մագնիսանում է նախկինին հակառակ ուղղությամբ (տես. նկար 2, 3-4 ):
Եթե նորից 
  
    
      
        
          B
          
            0
          
        
      
    
    {\displaystyle B_{0}}
  -ն աճում է` անցնելով (0;0) կետով, ապա ֆերոմագնետիկը մինչև հագեցումը մագնիսանում է դրական ուղղությամբ (տես. նկար 2, 5-1), իսկ (
  
    
      
        
          B
          
            0
          
        
      
    
    {\displaystyle B_{0}}
  , 
  
    
      
        B
      
    
    {\displaystyle B}
  ) կամ (
  
    
      
        H
      
    
    {\displaystyle H}
  , 
  
    
      
        B
      
    
    {\displaystyle B}
  ) կոորդինատական հարթության վրա մագնիսացման կորը փակվում է:

Այդ կորի ընթացքից հետևում է.
ա) Ֆերոմագնետիկի մագնիսացումը կախված է ոչ միայն տվյալ պահին նրա վրա ազդող 
  
    
      
        
          B
          
            0
          
        
      
    
    {\displaystyle B_{0}}
   արտաքին դաշտից, այլ նաև նախկին մագնիսացման վիճակից: Ուրեմն` ֆերոմագնետիկը «հիշում» է իր մագնիսացման նախապատմությունը: Դրա համար մագնիսացման կորը կոչվում է հիսթերիզիսի օղակ կամ մերակ:
բ) Ֆերոմագնետիկի մագնիսացման կախումն արտաքին դաշտից բազմարժեք է: Օրինակ, որևէ 
  
    
      
        
          B
          
            0
          
          ′
        
      
    
    {\displaystyle B'_{0}}
  -ի կարող է համապատասխանել [
  
    
      
        
          B
          ′
        
      
    
    {\displaystyle B'}
  , 
  
    
      
        
          B
          ″
        
      
    
    {\displaystyle B''}
  ] միջակայքի ցանկացած արժեք:
գ) Արտաքին դաշտից մագնիսացման կախումը ոչ գծային է`

  
    
      
        B
        =
        μ
        
          μ
          
            0
          
        
        H
      
    
    {\displaystyle B=\mu \mu _{0}H}
  , կամ 
  
    
      
        B
        =
        μ
        
          B
          
            0
          
        
      
    
    {\displaystyle B=\mu B_{0}}
  
այսինքն մագնիսական թափանցելիությունը կախված է դաշտից` 
  
    
      
        μ
        =
        μ
        (
        B
        )
      
    
    {\displaystyle \mu =\mu (B)}
   (տես. նկար 3):
Փակ կորով մագնիսացման ընթացքում արտաքին մագնիսական դաշտն աշխատանք է կատարում դաշտի ինդուկցիան փոփոխելու համար: Այդ աշխատանքը կատարվում է կոերցետիվ ուժերի դեմ, որոնք շփման (դիսիպատիվ) բնույթ ունեն: Դրա հետևանքով վերամագնիսացման աշխատանքը փոխարկվում է ֆերոմագնետիկի ներքին էներգիայի, որը կոչվում է վերամագնիսացման կորուստ: Ֆերոմագնետիկը տաքանում է:
Մագնիսական դաշտի էներգիայի խտության բանաձևից`

  
    
      
        w
        =
        
          
            
              B
              H
            
            2
          
        
        =
        
          
            
              B
              
                B
                
                  0
                
              
            
            
              2
              
                μ
                
                  0
                
              
            
          
        
      
    
    {\displaystyle w={\frac {BH}{2}}={\frac {BB_{0}}{2\mu _{0}}}}
  ,
հետևում է, որ (
  
    
      
        
          B
          
            0
          
        
      
    
    {\displaystyle B_{0}}
  , 
  
    
      
        B
      
    
    {\displaystyle B}
  ) կոորդինատական հարթության վրա էներգիայի խտությունը մակերեսի երկրաչափական իմաստ ունի: Դա նշանակում է, որ ֆերոմագնետիկի վերամագնիսացման աշխատանքը համեմատական է հիսթերիզիսի կորով ընդգրկված մակերեսին`

  
    
      
        A
        =
        
          
            1
            
              2
              
                μ
                
                  0
                
              
            
          
        
        
          ∫
          
            −
            
              B
              
                0
                h
              
            
          
          
            
              B
              
                o
                h
              
            
          
        
        μ
        (
        B
        )
        
          B
          
            0
          
        
        d
        
          B
          
            0
          
        
        :
      
    
    {\displaystyle A={\frac {1}{2\mu _{0}}}\int \limits _{-B_{0h}}^{B_{oh}}\mu (B)B_{0}dB_{0}:}
  
Այդ աշխատանքը հաշվելու համար անհրաժեշտ է իմանալ ֆերոմագնետիկը բնութագրող 
  
    
      
        μ
        (
        B
        )
      
    
    {\displaystyle \mu (B)}
  -ի անալիտիկ տեսքը, որը B-ից բարդ կախում ունի (տես. նկար 3): Ավելի հարմար է նախապես կառուցել հիսթերիզիսի մերակը և աշխատանքը որոշել գրաֆիկական եղանակով:
Հիսթերիզիսի մերակի մակերեսը կախված է ֆերոմագնետիկի տեսակից, μաղադրությունից և ջերմաստիճանից: Փոփոխական մագնիսական դաշտում մագնիսացման վրա ազդում են նաև տարբեր ռելաքսային երևույթներ, որոնք փոխում են մերակի ձևը:
Ընդհանուր առմամμ ֆերոմագնետիկները բաժանվում են երկու դասի` փափուկ և կոշտ:


==== Փափուկ ֆերոմագնետիկ ====

Փափուկ ֆերոմագնետիկի հիսթերիզիսի մերակն այնքան նեղ է, որ երμեմն մագնիսացման կորը կարելի է միարժեք համարել (Նկար 4): Հեշտ ապամագնիսանում է: Դրանք կիրառվում են փոփոխական մագնիսական դաշտում, քանի որ վերամագնիսացման կորուստը փոքր է: Փափուկ ֆերոմագնետիկի օրինակը մաքուր երկաթն է:


==== Կոշտ ֆերոմագնետիկ ====

Կոշտ ֆերոմագնետիկի հիսթերիզիսի մերակը լայն է, իր տեսքով հիշեցնում է ուղղանկյունի, օժտված է մեծ զսպող ուժով (նկ. 5): Մագնիսացման էներգիան մեծ է: Մագնիսացված վիճակը պահպանում է հարյուրամյակներ: Դրանցից պատրաստում են հաստատուն մագնիսներ: Կոշտ ֆերոմագնետիկի օրինակ են երկաթի որոշ կարծր համաձուլվածքներ:
Մեծ կիրառություն ունեն μաղադրյալ կոշտ ֆերոմագնետիկներ` գերմագնիսներ 
  
    
      
        N
        d
        F
        e
        b
      
    
    {\displaystyle NdFeb}
  , 
  
    
      
        S
        m
        C
        o
      
    
    {\displaystyle SmCo}
  , 
  
    
      
        P
        t
        C
        o
      
    
    {\displaystyle PtCo}
   և այլն, որոնց մագնիսացման էներգիան բազմակի
գերազանցում է երկաթե մագնիսին` ~52
  
    
      
        M
        J
        
          /
        
        
          m
          
            3
          
        
      
    
    {\displaystyle MJ/m^{3}}
  (մեգաջոուլ/մետր
  
    
      
        
          
          
            3
          
        
      
    
    {\displaystyle ^{3}}
  ):


== Գրականություն ==
Ս. Մխիթարյան, «Էլեկտրականություն և մագնիսականություն», ԵՊՀ, Երևան-2013:
Դ. Սեդրակյան, Ա. Պապոյան, «Էլեկտրականություն և մագնիսականություն», Էդիթ Պրինտ, Երևան-2010: