Magnetiline hüsterees

Magnetiline hüsterees (kreeka sõnast hysteresis hilinemine) on ferro- ja ferrimagnetiliste materjalide omadus, mis aeglustab nende magneetumuse muutumist või takistab selle ennistumist esialgsesse olekusse. Sel puhul ei sõltu süsteemi magneetumus mitte ainult magneetiva välja suurusest, vaid ka varasemast magneetumusest. Magnetiline hüsterees avaldub magnetmaterjali sees kujuneva magnetvälja tiheduse B mitteüheses sõltuvuses välise magneetiva välja tugevusest H. Graafiliselt väljendub see sõltuvus hüstereesisilmusena. Silmus kujuneb, kui suurendada magneetimist algväärtusest (H = 0 ja B = 0) magnetilise küllastuse väärtuseni Hm, millele vastab magnetvälja tihedus Bm, ja siis vähendada väljatugevust vastassuunalise küllastusväärtuseni ‒Hm. Seejuures väljatihedus magneetikus väheneb H = 0 juures väärtuseni Br, mida nimetatakse remanentsiks ehk jääkmagneetumuseks, ja edasi väärtuseni B = 0, milleni viib väljatugevus Hc, mida nimetatakse koertsitiivsuseks ehk koertsitiivjõuks. Silmus sulgub väljatugevuse suurendamisel uuesti väärtuseni Hm. Niisuguse ümbermagneetimisega on seotud energiakulu. Hüstereesikadu on seda suurem, mida suurem on hüstereesisilmuse pindala, s.t mida laiem on silmus. Laia hüstereesisilmusega aineid nimetatakse kõvadeks magnetmaterjalideks ja kitsa silmusega aineid pehmeteks magnetmaterjalideks. Erinevate materjalide hüstereesisilmused erinevad palju. Kõvade magnetmaterjalide koertsitiivsus on suurem kui 100 kA/m (või siis 400–2000 örstedit) ning maksimaalne magnetvälja tugevus umbes 0,35 T. Pehmete magnetmaterjlaide koertsitiivsus jääb aga alla 100 A/m. Kõige levinumad pehmed magnetmaterjalid on magneesium-tsinkferriit ja nikkel-tsinkferriit. Kõige levinumad kõvad magnetmaterjalid on strontsiumferriit, baariumferriit ja koobaltferriit. Tabelis on toodud kolme ferromagnetilise materjali küllastusmagneetuvused. Materjalide omaduste erinevused on nähtavad ka materjalide hüstereesisilmustes. Kitsas silmus viitab vähesele energia hajumisele. Energia hajumine on väike, küllastumus magneetuvus saavutatakse kiiremini ning hüstereesisilmuse salvestamiseks on vaja sagedast välise magnetvälja muutmist. Pehmetele magnetmaterjalidele on omane suur läbilaskvus (B ja H väärtuste suhe), väike koertsitiivsus ja magneetuvus. Laiad hüstereesisilmused viitavad aga kõvadele magnetmaterjalidele, millel on suur salvestusvõime, koertsitiivsus ja küllastumusmagneetuvus. Sellistel silmustel on algne läbilaskvus nende laiuse tõttu väike, mistõttu on energiakaod suuremad. Kõvad magnetmaterjalid on atraktiivsed kasutamiseks püsimagnetitena, kuna neid on raske demagneetida. Laia hüstereesisilmuse korral on demagneetimine raskem, kuna tuleb rakendada tugevamat demagneetivat välja. Suured magnetid jaotuvad magnetilisteks domeenideks. Domeenisiseselt on magneetumus samasugune, kuid domeenidel on õhukesed vaheseinad, milles magnetväli orienteerub sujuvalt ümber kõrvaldomeenile vastavaks. Magnetvälja muutumise korral muutub domeeniseinade spinn ning muutuvad ka domeenide suurused. Kuna domeenid on erineva magnetilise orientatsiooniga, siis on mitme domeenilise materjali magnetmoment ruumiühiku kohta väiksem, kui ühedomeenilise magneti korral. Hüstereesi põhjustavad ferromagneetikutes magneetumuse muutus ja domeenide suuruse või arvu muutumine. Magnetmaterjalides tekivad domeenid, et minimeerida materjali siseenergiat. Ühtlase magneetuvusega tükk tekitab tugevat magnetvälja, mis levib ka väljaspool materjalitükki, mis nõuab suurt elektrostaatilist energiat. Selle vähendamiseks jaguneb materjalitükk domeenideks, kuni materjal ei tekita enam välist magnetvälja. Kohtades, kus on vaja tugevat stabiilset magnetit, kasutatakse ühe domeenilisi magneteid. Kujutleme elektromagnetpooli, mida läbib suur vool ning mille südamik on jõudnud küllastus magneetuvuseni ehk maksimaalse magnetvälja vooni. Kui nüüd lüliti avada ja eemaldada pooli läbiv vool, võiks eeldada, et magnetväli pooli ümber kaob, kuid magnetväli ei kao täielikult, kuna pooli südamik säilitab mingisuguse magneetuvuse isegi, kui pooli ei läbi enam vool. Salvestusvõimeks nimetataksegi sellist materjali omadust säilitada jääkmagneetuvust, kui magneetimise protsess on lõppenud. Hüsterees on nähtus, mis võimaldab kirjeldada materjali magnetilist olekut. Demagnetiseerunud ferromagnetilise materjali asetamine välisesse magnetvälja muudab selle materjali domeenide orienteeritust, domeen, mille magneetumus on suunalt lähim välise välja suunale, hakkab kasvama teiste arvelt. Domeenid orienteeruvad vastavalt välise magnetvälja suunale kuni küllastumuseni (Bm). Materjali domeenide olekud hakkavad taastuma (toimub demagneetumine), kui väline magnetväli kaob enne küllastumusmagneetuvust. Hüstereesisilmuse laius keskkohal on materjali kahekordne koertsitiivsus. Koertsitiivsus näitab ferromagnetilise materjali vastupanuvõimet magnetväljale, et ei toimuks demagneetumist. Koertsitiivsus on magnetväljatugevus, mida tuleb rakendada, et vähendada materjali magneetumust küllastumusest nullini. Koertsitiivsuse ühikuks on örsted või A/m ja tähis Hc. Koertsitiivsust on võimalik mõõta hüstereesisilmusest või kasutades magnetomeetrit. Kõvadel magnetmaterjalidel on suur koertsitiivsus ning neid kasutatakse püsimagnetite tegemiseks. Pehmetel magnetmaterjalidel on väike koertsitiivsus ja neid kasutatakse näiteks muundurites induktiivpoolide südamikena. Parameeter (BB0/μ0)max iseloomustab püsimagnetite kvaliteeti: mida suurem see on, seda väiksemas materjalimahus saavutatakse nõutav magnetvälja tihedus. Jilesi-Athertoni magnethüstereesi mudel töötati välja 1984. aastal. See on üks populaarsemaid mudeleid omas valdkonnas. Mudeli põhiline eelis on, et see võimaldab arvestada magnetmaterjali füüsikaliste parameetritega. Mudel võimaldab arvutada minimaalseid ja maksimaalseid hüstereesisilmuseid, kuid sobides peamiselt isotroopiliste materjalide modelleerimiseks, kuigi tänapäevaks on välja töötatud selle mudeli lisasid, mis võimaldavad ka anisotroopsete materjalide modelleerimist. Seda mudelit saab kasutada järgmiste seadmete modelleerimiseks: võimsusmuundurid magnetoelastsed sensorid magnetväljasensorid Preisachi mudel käsitleb hüstereesisilmuseid kui mitme sõltumatu ahela paralleelühendust. See on laialdaselt aktsepteeritud hüstereesimudel. Preisachi mudel on eriti täpne ferromagnetismi valdkonnas, kuna ferromagnetilisi materjale saab käsitleda kui väikeste erinevalt orienteeritud domeenide kogumit. Näiteks võib rauatükk olla jaotunud domeenideks, mis on suvalise orientatsiooniga, kuid mille summaarne magnetväli on null. Materjali magnetiline reaktsioon välisele magnetväljale sõltub tema füüsikalistest omadustest, nende omaduste kohta on võimalik saada palju informatsiooni salvestades ja analüüsides materjali käitumist magnetväljas. Hüstereesisilmus on oluline mitmete elektriseadmete koostamisel, mille töö hõlmab pidevalt muutuvat magnetvälja või eeldab mälu. Pehmed magnetmaterjalid on kasulikud rakendustes, kus on vaja väikest energiakadu. Transformaatorites ja elektrimootorite südamikes on nad väga kasulikud, kuna vähe energiat läheb üle soojuseks. Kõvasid magnetmaterjale kasutatakse näiteks helisalvestamisel, arvuti kõvaketastes ja krediitkaartides. Suur koertsitiivsus tagab selle, et mälu ei kustu väga kergesti. Erinevate magnetiliste omadustega materjale kasutatakse: magnetsalvestamisel muundurites induktiivpoolide südamikena mikrolaineseadmetes magnetvarjestusena helisalvestuspeades jpm Magnetism Magneetikud Koertsitiivsus Magnet Handbook of Magnetic Measurements By Slawomir Tumansk https://en.wikipedia.org/wiki/Ferrite_(magnet)#Soft_ferrites "Arhiivikoopia". Originaali arhiivikoopia seisuga 28. aprill 2015. Vaadatud 22. jaanuaril 2015.{{netiviide}}: CS1 hooldus: arhiivikoopia kasutusel pealkirjana (link) http://www.electronics-tutorials.ws/electromagnetism/magnetic-hysteresis.html http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/ferromagnetic/hysteresis.php http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/magperm.html https://en.wikipedia.org/wiki/Jiles-Atherton_model https://en.wikipedia.org/wiki/Preisach_model_of_hysteresis "Arhiivikoopia". Originaali arhiivikoopia seisuga 23. detsember 2014. Vaadatud 22. jaanuaril 2015.{{netiviide}}: CS1 hooldus: arhiivikoopia kasutusel pealkirjana (link) 3.8 Magnetiline hüsterees Hysterese ‒ inglise keeles