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։

(Նկար 1)

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 ${\vec {P_{m}}}$ վեկտորների ուղղությունները տարբերվում են։ Այդ տիրույթները կոչվում են դոմեններ (տես. նկար 1,ա)։ Հարևան դոմենների միջև բարակ սահմանային շերտում ${\vec {P_{m}}}$-ը մի ուղղությունից սահուն փոխվում է մյուսին։

Ջերմային ցնցումները փոխանակային ուժերին հակառակ ձգտում են քայքայել ստեղծված կարգը։ Սպինների մի մասը վերադասավորվում է ${\vec {P_{m}}}$-ին հակազուգահեռ։ Դրանից նվազում է նյութի մագնիսական ընկալունակությունը և թափանցելիությունը։ Ջերմաստիճանի աճին զուգընթաց, տվյալ նյութին խիստ յուրահատուկ $T_{k}$-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`

$\chi _{m}={\frac {c}{T-T_{k}}}$,

որտեղ $T_{k}$-n` Կյուրիի ջերմաստիճանն է, $T$-ն՝ բացարձակ ջերմաստիճանն է, իսկ $C$-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

Հիսթերիզիսի կոր: (Նկար 2)

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 ($10^{-5}$ $\div$ $10^{-4}$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 ${\vec {P_{m}}}$ վեկտորի և արտաքին ${\vec {B_{0}}}$ դաշտի միջև անկյունը փոքր է, իսկ մյուսները` նվազում են։ Դաշտի հետագա աճը վերացնում է դոմենային կառուցվածքը` բոլոր ${\vec {P_{m}}}$ վեկտորները համուղղվում են և ${\vec {B_{0}}}$-ի հետ նվազագույն անկյուն են կազմում (տես. նկար 1,գ)։

Ավելի ուժեղ դաշտում ամբողջ նմուշի բևեռացման վեկտորը ընդունում է ${\vec {B}}$-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` $\vartriangle {\vec {B}}=\vartriangle {\vec {B_{0}}}$, իսկ մագնիսական թափանցելիությունը ձգտում է մեկի`

$\mu ={\frac {\Delta {\vec {B}}}{\Delta {\vec {B}}_{0}}}=tg\alpha \rightarrow 1:$

Երկաթի և դրա համաձուլվածքների հագեցման դաշտի ինդուկցիան ~2 ܶ$T$(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` ${\vec {B}}_{0}$= 0, ֆերոմագնետիկը մնում է մագնիսացված` ${\vec {B}}_{m}$ մնացորդային ինդուկցիայով։ Ֆերոմագնետիկը նորից տրոհվում է դոմենների, քանի որ այդ վիճակն ավելի կայուն է։

Հակառակ ուղղված ${\vec {B}}_{0}$-ն ձգտում է դոմենների ${\vec {P}}_{m}$ մագնիսացումը շրջել 180°-ով։ Դրանից այնքան է թուլանում հարևան դոմենների փոխազդեցությունը, որ ջերմային ցնցումների հետևանքով դոմենների մագնիսացման վեկտորների ուղղությունները քաոսային են բաշխվում։ Երբ $B_{0}=-B_{k}$ մնացորդային մագնիսացումը վերանում է։ $B_{k}$-ն կոչվում է ֆերոմագնետիկի կոերցիտիվ ուժ (զսպող ուժ)։

Եթե $B_{0}$-ն բացասական իմաստով շարունակում է աճել, ապա ֆերոմագնետիկը մինչև հագեցումը մագնիսանում է նախկինին հակառակ ուղղությամբ (տես. նկար 2, 3-4 )։

Եթե նորից $B_{0}$-ն աճում է` անցնելով (0;0) կետով, ապա ֆերոմագնետիկը մինչև հագեցումը մագնիսանում է դրական ուղղությամբ (տես. նկար 2, 5-1), իսկ ($B_{0}$, $B$) կամ ($H$, $B$) կոորդինատական հարթության վրա մագնիսացման կորը փակվում է։

(Նկար 3)

Այդ կորի ընթացքից հետևում է.

ա) Ֆերոմագնետիկի մագնիսացումը կախված է ոչ միայն տվյալ պահին նրա վրա ազդող $B_{0}$ 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 $B'_{0}$-ի կարող է համապատասխանել [$B'$, $B''$] միջակայքի ցանկացած արժեք։

գ) Արտաքին դաշտից մագնիսացման կախումը ոչ գծային է`

$B=\mu \mu _{0}H$, կամ $B=\mu B_{0}$

այսինքն մագնիսական թափանցելիությունը կախված է դաշտից` $\mu =\mu (B)$ (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`

$w={\frac {BH}{2}}={\frac {BB_{0}}{2\mu _{0}}}$,

հետևում է, որ ($B_{0}$, $B$) կոորդինատական հարթության վրա էներգիայի խտությունը մակերեսի երկրաչափական իմաստ ունի։ Դա նշանակում է, որ ֆերոմագնետիկի վերամագնիսացման աշխատանքը համեմատական է հիսթերիզիսի կորով ընդգրկված մակերեսին`

$A={\frac {1}{2\mu _{0}}}\int \limits _{-B_{0h}}^{B_{oh}}\mu (B)B_{0}dB_{0}:$

Այդ աշխատանքը հաշվելու համար անհրաժեշտ է իմանալ ֆերոմագնետիկը բնութագրող $\mu (B)$-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 գրաֆիկ: (Նկար 4)

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 պարամագնետիկների հիսթերիզիսի գրաֆիկ: (Նկար 5)

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 $NdFeb$, $SmCo$, $PtCo$ և այլն, որոնց մագնիսացման էներգիան բազմակի

գերազանցում է երկաթե մագնիսին` ~52$MJ/m^{3}$(մեգաջոուլ/մետր$^{3}$):

Գրականություն

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