磁滞现象
磁滞现象是一种物理学现象。磁滞(Hysteresis)一词最早出现在物理学中,是由尹文(Ewing)于1881年根据他在实验中发现的一种现象(Simom,1997)。尹文在磁化实验中发现,当把一块铁放入一个磁场中,铁会被磁化。而且随着磁场中磁力的加强,被磁化的铁块的磁力会增加,直到达到饱合状态。随后,如果磁场的磁力减弱或消失,铁块的磁力并不会回归到原来的起点或零点。部分磁力永久性地滞留于铁块中。尹文将这种现象称为磁滞。西蒙更简明的将磁滞现象定义为这样一种现象“一个因素的暂时性变化引起了另一个因素的永久性变化”。磁滞现象与我们通常所说的滞后效应或衰减效应有所不同。磁滞是一种永久性的驻留。就如磁力永远驻留在经过磁化的磁铁上一样,它既不会因为诱因回复到原来的状态而随之马上消失,也不会随着时间的推移而逐渐消失。用交流电流对材料样品进行磁化,测得的童锁曲线成为动态磁滞回线。测量中使用的交流电的频率不同时,测出的B-H曲线也有不同。
变压器的铁心存在磁滞现象。当选择不同的磁场强度(即励磁电流)进行反复磁化时,可以得到一系列大小不同的磁滞回线。当增大磁场强度(励磁电流)时,磁滞回线所围的面积随之增大。当磁场强度(励磁电流)足够大时,该面积达到一定极限,这个包围最大面积的磁滞回线就称为饱和磁滞回线。将各磁滞回线的顶点联接起来,所得到的一条曲线就是基本磁化曲线。
定义定律
在该材料中,磁场强度(H)和磁感应强度(B)之间的关系是非线性的。如果在增强场强条件下,此二者关系将呈曲线上升到某点,到达此点后,即使场强H继续增加,磁感应强度B也不再增加。该情况被称为磁饱和(magnetic 色彩饱和度)。磁性物质都具有保留其磁性的倾向,B的变化总是滞后于H的变化的,这种现象称为磁滞(hysteresis)现象。
如果此时磁场线性降低,该线性关系将以另一条曲线返回到0场强的某点,该点的B将被初始曲线的磁感应强度量BR叫做剩磁感应强度或剩磁(remanent 熔剂 密度)相抵消。
科学原理
定义定律所谓磁滞现象是指铁磁质磁化状态的变化总是落后于外加磁场的变化,在外磁场撤消后,铁磁质仍能保持原有的部分磁性。当铁磁质磁化到一定程度、即达到饱和磁化强度后,再逐渐使H减弱而使铁磁质退磁时,B虽相应地减小,但却按照另一条曲线ab下降,而ab曲线的位置比Oa曲线高,即在退磁过程中的B比磁化过程中同一H值所对应的B为大。这表明磁感强度的变化落后于磁场强度的变化。原理铁磁(硫酸亚铁磁,下同)的种类很多,但主要的可分二大类:硬磁和软磁。这二类铁磁物质内部的磁结构不同,因而其磁化和反磁化的过程也不同;出现的磁滞大小也不同。现以软磁材料为例,说明铁磁材料出现磁滞的原因。软磁材料的磁晶各向异性小,磁致伸缩小,内部缺陷少等。在居里点以下时,这类材料具有自发磁化强度,由于其内部存在许多磁化向量混乱取向的磁畴。所以,整体的磁化强度等于零。
磁滞原因
加磁场磁化时,软磁材料的磁化过程主要可分二个阶段:(1)磁场从小到中场时,以磁化向量与外加磁场方向接近的磁畴的体积通过畴壁位移而扩大为主。这种过程称为位移过程。在这段磁场加大的过程中,不同地方的畴壁不断移动,由于材料的内部不均匀性,畴壁能也不同,因而移动需要磁场能克服所遇到的势垒。磁畴一旦越过势垒后,就完成了不可逆移动,磁场去掉后,它也不能回到它原有的位置,于是就出现磁滞。(2)磁场继续增大,材料的部分磁畴的磁化向量开始转向外场方向;当磁场达到可使材料饱和磁化时,所有磁畴的磁化向量都转到磁场方向,称为磁化向量的转动过程。它也要不断克服许多能量势垒,也同样可造成不可逆转动,这也是铁磁材料出现磁滞的原因。
磁滞损耗
总之,软磁材料在磁化或反磁化过程,其内部磁畴的位移或转动过程都可以造成材料的磁滞。当无外磁场作用(H=0)时,如果整个铁磁体对外不显示磁性,即M=0,这时铁磁体所处的状态称为退磁状态。在以M为纵坐标、H为横坐标的坐标系中,退磁状态由坐标原点O表示,如图所示。逐渐增大磁场H,铁磁体的状态沿OQ变化。当状态达到Q若继续增大磁场H,磁化强度M不再有明显变化,此点所对应磁化强度称为饱和磁化强度,常用Ms表示。曲线OQ称为基该磁化曲线,这条曲线通常不是直线,因此,铁磁体的磁化率cm不是常量,而是磁场强度H的函数。磁导率m=m0(1+cm)也是磁场强度H的函数。处于Q状态的铁磁体,随着外磁场的减小,状态并不沿原来的路径QO变化,而是沿QR变化。当磁场H降至零时,铁磁体不再回到退磁状态O,而是达到R,这时铁磁体所具有的磁化强度称为剩余磁化强度,常用Mr表示。此后若对铁磁体施加一反向磁场,并逐渐加大磁场强度,铁磁体的磁状态将沿曲线RS变化。S所对应的磁场强度是使铁磁体剩余磁化强度全部消失时所必须施加的反向磁场,称为矫顽力,常用Hc表示。若继续增大反向磁场,铁磁体的磁状态将沿曲线ST变化,并在T达到反向磁化饱和,其磁化强度为-Ms。若减小反向磁场,状态将沿曲线TU变化,U所对应的状态是反向剩磁状态,磁化强度为-Mr。若在此状态施加正向磁场,并逐渐增大磁场强度,则铁磁体的磁状态将沿曲线UVQ变化,达到Q,又重新磁化饱和。随着磁场强度的变化,铁磁体的磁状态沿着一闭合曲线QRSTUVQ变化,这个闭合曲线就称为磁滞回线。显然,对于参量B与H之间的关系也表现为类似的闭合曲线。铁磁体磁化过程的这种不可逆性,称为磁滞现象。这是铁磁质与其他磁介质的又一不同性质。应用磁滞现象在铁磁性材料中是被广泛认知的。当外加磁场施加于铁磁性物质时,其原子的偶极子按照外加场自行排列。即使当外加场被撤离,部分排列仍保持:此时,该材料被磁化。对于晶粒取向电材料的一组B-H环路(BR表示剩磁,而HC为矫顽力。)
科学实验
磁滞现象,假如将未带磁性的铁磁性物质(例如:铁、钴、及其合金)放入通电的螺线管内,那么所产生的磁场可以将此材料磁化,使之带有磁性,但外加磁场去除后,铁磁性物质的磁性不会马上消除,仍保有磁性,此即为磁滞现象。将铁磁性物质存在于一外加磁场时,当外加磁场由零(A点)逐渐增大时,铁磁性物质之感应磁场也随之增大,而外加磁场增大到某一程度后,无论磁场再如何加大,铁磁性物质之感应磁场也不再变化,此即达到饱和(C点)。此时,在逐渐减小外加磁场时,铁磁性物质之感应磁场亦随之缓慢减小,其路径并不沿原磁化曲线返回,而是沿著另一曲线CD变化,直到外加磁场降为零,而铁磁性物质仍保有磁性。
应用领域
如果绘制以外加磁场的全部强度的二者关系图,将为S形的回路。S的中间厚度描述了磁滞量,该量与材料的矫顽力相关。该现象的实际影响可为,例如,当通过磁芯的外加电流被撤离,由于残留磁场继续吸引电枢,而引起滞后从而延迟磁能的释放。磁化矢量(M),以磁场强度(H)为函数。对于一种特殊材料,该曲线会影响一个磁路的设计。对于盒式录音磁带和其他的磁媒介存储设备像HDD也是有非常重要的影响作用。在这些材料中,很显然一个磁极代表一个比特(刨刀),如北极代表1而南极洲代表0。然而,更换该存储器从一个到另一个,此迟滞作用要求了解已存信息,因为所需的场强在每种情况下都会不同。为了解决该问题,记录系统首先使用带偏移程序过速驱动整个系统到一个已知状态。模拟电磁记录同样适用这种技术。不同材料要求不同的偏移量,这就是为什么在大多数卡式录音带前端都有一个选择装置(写保护)。为了最小化该影响和减小相关的能量损失,从而采用具有低矫顽力和低迟滞损失的铁磁性物质,例如坡莫合金(铁镍合金,透磁合金)。在很多应用中,由回路中不同点驱动产生的小的迟滞回路存在于童锁层中。接近原点的各回路有一个较大的µ(磁导率)。回路越小,其磁性形状越柔和。一个特例就是,用一个降低的交流电场去磁化任何材料。
参考资料
测动态磁滞回线.东南大学物理实验中心.2024-02-23