Koertsitiivsus

Koertsitiivsus (ka koertsitiivjõud, ladina sõnast coercitio 'takistamine, kinnihoidmine') on ferromagnetilist materjali iseloomustav suurus, mis näitab, kui tugevat magnetvälja tuleb küllastuseni magneeditud ferromagneetikule rakendada selle demagneetimiseks. Koertsitiivsuse tähis on HC ja selle SI mõõtühik on amper meetri kohta (A/m). Sageli kasutatakse ka CGS-ühikut örsted (Oe). Koertsitiivsust saab mõõta magnetomeetriga. Elektrotehnikas ja sellega seotud materjaliteaduses on ferroelektrilistel materjalidel analoogiline omadus: elektriline koertsitiivsus. See on välise elektrivälja tugevus, mis depolariseerib ferroelektrilise materjali. Suure koertsitiivsusega ferromagnetilisi materjale nimetatakse kõvadeks (jäikadeks). Neid kasutatakse nt püsimagnetite valmistamiseks ja kõvaketaste salvestuskeskkonnana. Väikese koertsitiivsusega materjale nimetatakse pehmeteks. Neid kasutatakse nt trafode ja induktiivpoolide südamikes. Ferromagnetilise materjali koertsitiivsus on välise magnetvälja tugevus (H) mida on vaja materjali demagneetimiseks, kui proovi magneetumus on eelnevalt tugeva välja abil küllastatud. Sõltuvalt sellest, kuidas defineerida demagneetumist, on koertsitiivsusel erinevaid definitsioone: Normaalne koertsitiivsus (ingl k "normal coercivity"), HCn, on magnetvälja tugevus, mis vähendab magnetinduktsiooni B nullini. Sisemine koertsitiivsus (ingl k "intrinsic coercivity"), HCi, on magnetvälja tugevus, mis vähendab magneetumuse M nullini. Jääkkoertsitiivsus (ingl k "remanence coercivity"), HCr, on magnetvälja tugevus, mis vähendab jääkmagneetumuse nullini, s.t. kui magnetvälja tugevus H lõpuks nulli viiakse, siis B ja M samuti vähenevad nullini (ehk materjal jõuab hüstereesikõvera algpunkti). Normaalse ja sisemise koertsitiivsuse erinevus on tühine pehmetes magnetmaterjalides, aga see võib olla märgatav kõvades magnetmaterjalides. Tugevaimate haruldastest muldmetallidest magnetite magneetumus peaaegu ei vähenegi HCn juures.  Pikemalt artiklis Pehme magnetmaterjal Koertsitiivsuse (HC) järgi jagatakse ferromagnetilised materjalid kolme rühma: pehmed, keskmised ja kõvad. Pehmete magnetmaterjalide koertsitiivsus on väike: HC < 1 kA/m. Keskmiste magnetmaterjalide korral HC = 1..30 kA/m. Kõvade ehk jäikade magnetmaterjalide koertsitiivsus on suur: HC > 30 kA/m. Väikese koertsitiivsuse tõttu kasutatakse pehmeid magnetmaterjale rakendustes, kus on vaja magnetit kiiresti ja korduvalt ümber magneetida või saavutada väikese välise magnetvälja abil suur magneetumus, nt trafode ja induktiivpoolide südamikes, kirjutuspeades, mikrolaine-seadmetes ja magnetilisel varjestamisel. Suure koertsitiivsuse tõttu kasutatakse kõvasid magnetmaterjale rakendustes, kus on vaja vältida magneti de- või ümbermagneetumist, nt püsimagnetite valmistamiseks ja kõvaketaste salvestuskeskkonnana. Tavaliselt määratakse magnetmaterjali koertsitiivsus hüstereesisilmuse ehk magneetumiskõvera mõõtmisel, nagu näidatud ülemisel joonisel. Enamasti kasutatakse selleks vibreeriva prooviga või vahelduva gradiendiga (ingl k "alternating-gradient") magnetomeetrit. Rakendatud väli, mille juures kõver lõikub H-teljega, on koertsitiivsus. Kui proovis leidub antiferromagneetik, võivad kasvavas ja kahanevas väljas mõõdetud koertsitiivsused erineda eelpingestatud vahetusmõju tõttu. Materjali koertsitiivsus sõltub ajaskaalast, mille jooksul magneetumiskõver mõõdetakse. Materjali magneetumus võib vastassuunalise, aga koertsitiivsusest nominaalselt nõrgema välja rakendmisel pika aja jooksul relakseeruda nulli. Relaksatsioon leiab aset, kui magneetumise ümberpööramine domeeniseinte liikumise kaudu on soojuslikult aktiveeritud ja kui magnetiline viskoossus domineerib. Koertsitiivsuse suurenemine kõrgetel sagedustel tõsiselt takistab bitikiiruse kasvatamist kõrge ribalaiusega magnetilises andmesalvestuses. Lisaks nõuab suurem andmesalvestustihedus keskkonna suuremat koertsitiivsust. Koertsitiivsus on tundlik struktuuriliste muutuste suhtes. Koertsitiivsuse väike väärtus on seotud domeeni seinte lihtsa liikumisega olukorras, kus magnetväli muudab suurust ja/või suunda. Erinevad struktuursed defektid, nagu näiteks mittemagnetilise faasi osakesed või tühimikud magnetmaterjalis, kipuvad piirama domeeni seinte liikumist ja suurendavad seeläbi koertsitiivsust. Sellest tulenevalt peab pehme magnetmaterjal olema võimalikult defektidevaba. Koertsitiivsusega võrdses väljas on ferromagneetiku magneetumuse vektori komponent, mis ühtib välise välja suunaga, võrdne nulliga. On olemas kaks põhilist viisi magneetumuse ümberpöördumiseks: üksiku domeeni pöördumine ja domeeniseinte liikumine. Kui materjali magneetumus muudab suunda ümber üksiku domeeni pöördumisel, on magneetumuse välise välja suunaline komponent võrdne nulliga, sest magneetumuse vektor on risti välise väljaga. Kui materjali magneetumus muudab suunda domeeniseinte liikumise tulemusel, on magneetumus igas suunas väike, sest üksikute domeenide magnetmomendid summeeruvad nulliks ehk kompenseeruvad. Magneetumiskõveraid, kus domineerib pöördumine ja magnetokristalliline anisotroopia, võib registreerida täiuslikele lähedastes magnetmaterjalides, mida kasutatakse fundamentaaluuringutes. Domeeniseinte liikumine on materjaliinseneerias tähtsam ümberpöördumismehhanism, sest defektid, nagu materjaliterade piirpinnad ja lisandid käituvad nukleatsioonitsentritena vastassuunalise magneetumusega domeenidele. Domeeniseinte rolli koertsitiivsuse määramisel on keeruline kirjeldada, kuna defektid võivad lisaks domeeniseinte nukleatsioonile ka neid naelutada, pidurdades nende liikumist. Domeeniseinte dünaamika ferromagneetikutes on sarnane materjaliterade piirpindade ja plastsuse omaga metallurgias, kuna nii domeeniseinad kui ka materjaliterade piirpinnad on pinddefektid. Nagu igas hüstereesiprotsessis, magneetumiskõvera ühe tsükli sisse jääv pindala näitab tööd, mille väline väli teeb materjalis selleks, et selle sisemine väli vastassuunas magneetida. See töö eraldub soojusena. Tavalised dissipatsiooniprotsessid magnetmaterjalis on magnetostriktsioon ja domeeniseinte liikumine. Koertsitiivsus on magnetilise hüstereesi mõõt, hüstereesisilmuse poollaius, ja pehmetes magnetmaterjalides väljendab ka energeetilisi kadusid nende tavalistes rakendustes. Kõvade magnetmaterjalide korral on jääkmagneetumus ja koertsitiivsus kvaliteedinäitajad. Tihti kasutatakse ka nn maksimaalset energiakorrutist. 1980. aastatel arendati haruldastest muldmetallidest magnetid, millel on kõrge energiakorrutis, aga kahjuks madal Curie temperatuur. Alates 1990. aastatest on välja arendatud kõvad ja tugeva koertsitiivsusega vahetusmõjumagnetid. Magnetiline hüsterees Magneetikud Magnetiline vastuvõtlikkus Giorgio Bertotti (21. mai 1998). Hysteresis in Magnetism: For Physicists, Materials Scientists, and Engineers. Elsevier Science. ISBN 978-0-08-053437-4. Brown, W.F. (1958). Condon, Edward Uhler; Odishaw, Hugh (toim-d). Handbook of Chemistry and Physics (inglise). New York: McGraw-Hill. William D. Callister Jr., David G. Rethwisch (2015). Materials Science and Engineering, Si version. John Wiley & Sons (Asia) Pte Ltd. Lk 768–770, 876. Huang, Junyu; Liu, Chang; Cui, Yifan; Ling, Yuxiang; Chen, Keming; Zhao, Kunlong; Xiao, Xiangshang; Yuan, Bin; Paul, Amitesh (17.12.2022). "Non-collinear magnetic configuration mediated exchange coupling at the interface of antiferromagnet and rare-earth nanolayers". Scientific Reports (inglise). 12 (21836). DOI:10.1038/s41598-022-26407-4. Vaadatud 12.01.2023. Gaunt, P. (1986). "Magnetic viscosity and thermal activation energy". Journal of Applied Physics. 59 (12): 4129–4132. Bibcode:1986JAP....59.4129G. DOI:10.1063/1.336671. Zhu, Jian-Gang (Jimmy) (juuli 2003). "New heights for hard disk drives". Materials Today (inglise). 6 (7–8): 22–31. DOI:10.1016/S1369-7021(03)00729-6. Vaadatud 12.01.2023. Genish, Isaschar; Kats, Yevgeny; Klein, Lior; Reiner, James W.; Beasley, M. R. (2004). "Local measurements of magnetization reversal in thin films of SrRuO3". Physica Status Solidi C. 1 (12): 3440–3442. Bibcode:2004PSSCR...1.3440G. DOI:10.1002/pssc.200405476. Kim, Kab-Jin; Yoshimura, Yoko; Ono, Teruo (19.06.2017). "Current-driven magnetic domain wall motion and its real-time detection". Japanese Journal of Applied Physics (inglise). 56 (8). DOI:10.7567/JJAP.56.0802A4. Vaadatud 14.01.2023. Bisero, Diego (02.09.2020). "The Dynamics of Domain Wall Motion in Spintronics". Magnetochemistry (inglise). 6 (3): 40. DOI:10.3390/magnetochemistry6030040. Vaadatud 14.01.2023. Kneller, E. F.; Hawig, R. (1991). "The exchange-spring magnet: a new material principle for permanent magnets". IEEE Transactions on Magnetics. 27 (4): 3588–3600. Bibcode:1991ITM....27.3588K. DOI:10.1109/20.102931. Chen, Min; Nikles, David E. (2002). "Synthesis, self-assembly, and magnetic properties of FexCoyPt100-x-y nanoparticles". Nano Letters. 2 (3): 211–214. Bibcode:2002NanoL...2..211C. DOI:10.1021/nl015649w. Livingston, J. D. (1981). "A review of coercivity mechanisms". Journal of Applied Physics. 52 (3): 2541–2545. Bibcode:1981JAP....52.2544L. DOI:10.1063/1.328996.