磁滞现象

----更新时间:2022-08-17

磁滞现象简称磁滞。磁性体的磁化存在着明显的不可逆性,当铁磁体被磁化到饱和状态后,若将磁场强度(H)由最大值逐渐减小时,其磁感应强度(符号为B)不是循原来的途径返回,而是沿着比原来的途径稍高的一段曲线而减小,当H=0时,B并不等于零,即磁性体中B的变化滞后于H的变化,这种现象称磁滞现象。

磁性物质都具有保留其磁性的倾向,磁感应强度B的变化总是滞后于磁场强度H的变化的,这种现象就是磁滞现象。

将铁磁体(磁中性状态)置于外加磁场中磁化时,磁场强度从零增大,使磁化强度增大至一定值,此时若将磁场慢慢减小,则磁化强度并不沿原来的变化曲线回复原状,而是沿另一曲线变化.磁化强度随磁场强度的变化中,磁化强度的变化总是落后于磁场强度的变化,出现滞后的现象,此种现象称为磁滞。

磁滞回线的不同,磁性物质又可分为硬磁物质、软磁物质和矩磁物质三种。

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。该材料被磁化,其磁性会继续保留。需要消磁时,施加相反方向的磁场。

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。

科学原理

铁磁(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。在居里温度以下时,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。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。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。

如图(磁滞现象图片),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。

原因

铁磁体在它们的磁化和反磁化过程中出现的不可逆磁化过程导致了磁滞现象。准静态磁化产生磁滞的原因有以下三种:(1)由畴壁不可逆位移过程引起的磁滞;(2)由反磁化核成长的阻滞所引起的磁滞;(3)由磁化矢量不可逆转动过程引起的磁滞。畴壁位移过程所受到的阻力由内应力分布或掺杂物分布所决定。材料内部的局部不均匀性如局部内应力或掺杂物的不均匀性,是形成反磁化核的来源。如果在铁磁体内没有反磁化核存在,则材料一般不出现畴壁位移过程,而反磁化过程只能通过磁化矢量的转动过程来实现。磁畴转动过程的阻滞来源于材料的磁各向异性。最主要有以下三种:①结晶各向异性;②应力各向异性;③形状各向异性。此外,在动态磁化过程引起的磁滞中还应考虑涡流的作用。表征磁滞现象的物理量是矫顽力和剩磁,矫顽力代表进行反磁化过程中的“平均”磁场。磁滞现象反映了能量损耗,磁化一周的能量损耗可用回线所包围的面积来表示。铁磁体的磁滞依赖于温度。按常例,矫顽力随温度上升而下降,磁滞损耗也随温度上升而下降。

磁滞耗损

处在交变磁场中的铁磁物质,因磁滞现象而产生的能量损耗称磁滞损耗。

可以证明,交变磁化一周在铁心的单位体积内所产生的磁滞损耗能量与磁滞回线所包围的面积成正比。铁磁物质的磁滞回线面积越小,它的磁滞损耗也越小。当回线面积为零,即无磁滞现象时,磁滞损耗也为零。

铁磁体等在反复磁化过程中因磁滞现象而消耗的能量。它是电气设备中铁损的组成部分。

磁滞损耗表现为磁化过程中有一部分电磁能量不可逆转地转换为热能。在准静态反复磁化过程中,单位体积的铁磁体被交变磁场磁化一周所产生的磁滞损耗正比于磁滞回线所包围的面积,即∮HdB。设交变磁场的频率为f,则单位时间、单位体积的磁滞损耗为f·∮HdB。因此选择磁滞回线面积小的材料和降低工作频率都可以减少磁滞损耗。在工程中计算时,对较强交变磁场常用经验公式为,式中f为工作频率;Bm为磁滞回线上磁感应强度的最大值;K1为取决于材料性质及其他有关因素的常数。

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、镍及其合金)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

磁滞现象,作为某个系统的一种十分依赖于被施加的物理属性,在电子电路中有着广泛应用,其中就包括硬盘驱动器和磁通门磁力计,并且也是超导量子干涉仪的射频功能所必不可少的。磁滞同时也是超流态的基础,并且已经被预测可发生在超流体原子气体中,比如说玻色爱因斯坦凝聚。格雷琴·坎贝尔和他的同事,首次在由一个被旋转的薄连接阻塞的超流体玻色爱因斯坦凝聚环组成的电路的量子化循环态中,直接检测到了磁滞现象。在该系统中存在磁滞现象对于新兴的“原子电路”领域来说具有十分重要的意义,因为在原子电路中超低温原子的作用就相当于电子学中的电子。可以预见,原子线路中可控的磁滞现象在实用性器件的发展中将发挥重要作用。

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