Histerese magnética - Magnetic hysteresis
A histerese magnética ocorre quando um campo magnético externo é aplicado a um ferromagneto , como o ferro, e os dipolos atômicos se alinham com ele. Mesmo quando o campo é removido, parte do alinhamento será retido: o material ficou magnetizado . Uma vez magnetizado, o ímã permanecerá magnetizado indefinidamente. Para desmagnetizar, é necessário calor ou um campo magnético na direção oposta. Este é o efeito que fornece o elemento de memória em uma unidade de disco rígido .
A relação entre a intensidade do campo H e a magnetização M não é linear em tais materiais. Se um ímã é desmagnetizado ( H = M = 0 ) e a relação entre H e M é traçada para níveis crescentes de intensidade de campo, M segue a curva de magnetização inicial . Esta curva aumenta rapidamente no início e depois se aproxima de uma assíntota chamada saturação magnética . Se o campo magnético agora é reduzido monotonicamente, M segue uma curva diferente. Na intensidade do campo zero, a magnetização é deslocada da origem por um valor denominado remanência . Se a relação HM for traçada para todas as intensidades do campo magnético aplicado, o resultado é um loop de histerese denominado loop principal . A largura da seção intermediária ao longo do eixo H é duas vezes a coercividade do material.
Um olhar mais atento sobre uma curva de magnetização geralmente revela uma série de pequenos saltos aleatórios na magnetização chamados saltos de Barkhausen . Esse efeito é devido a defeitos cristalográficos , como luxações .
Os loops de histerese magnética não são exclusivos de materiais com ordenação ferromagnética. Outras ordenações magnéticas, como ordenação de vidro de spin , também exibem esse fenômeno.
Origem física
O fenômeno da histerese em materiais ferromagnéticos é o resultado de dois efeitos: rotação da magnetização e mudanças no tamanho ou número de domínios magnéticos . Em geral, a magnetização varia (em direção, mas não em magnitude) em um ímã, mas em ímãs suficientemente pequenos, isso não acontece. Nestes ímãs de domínio único , a magnetização responde a um campo magnético girando. Os ímãs de domínio único são usados sempre que uma magnetização forte e estável é necessária (por exemplo, gravação magnética ).
Os ímãs maiores são divididos em regiões chamadas domínios . Dentro de cada domínio, a magnetização não varia; mas entre os domínios existem paredes de domínio relativamente finas nas quais a direção da magnetização gira da direção de um domínio para outro. Se o campo magnético muda, as paredes se movem, mudando os tamanhos relativos dos domínios. Como os domínios não são magnetizados na mesma direção, o momento magnético por unidade de volume é menor do que seria em um ímã de domínio único; mas as paredes de domínio envolvem a rotação de apenas uma pequena parte da magnetização, então é muito mais fácil mudar o momento magnético. A magnetização também pode mudar por adição ou subtração de domínios (chamados de nucleação e desnucleação ).
Medição
A histerese magnética pode ser caracterizada de várias maneiras. Em geral, o material magnético é colocado em um campo H aplicado variável , conforme induzido por um eletroímã, e a densidade de fluxo magnético resultante ( campo B ) é medida, geralmente pela força eletromotriz indutiva introduzida em uma bobina de captação próxima à amostra. Isso produz a curva característica B - H ; porque a histerese indica um efeito de memória de material magnético, a forma da B - H curva depende da história de alterações em H .
Alternativamente, a histerese pode ser representada graficamente como magnetização M no lugar de B , dando uma curva M - H. Essas duas curvas estão diretamente relacionadas desde então .
A medição pode ser em circuito fechado ou em circuito aberto , de acordo com a forma como o material magnético é colocado em um circuito magnético .
- Em técnicas de medição de circuito aberto (como um magnetômetro de amostra vibratória ), a amostra é suspensa no espaço livre entre dois pólos de um eletroímã. Por causa disso, um campo de desmagnetização se desenvolve e o campo H interno ao material magnético é diferente do H aplicado . A curva BH normal pode ser obtida após o efeito de desmagnetização ser corrigido.
- Em medições de circuito fechado (como a histerese), as faces planas da amostra são pressionadas diretamente contra os pólos do eletroímã. Como as faces dos pólos são altamente permeáveis, isso remove o campo de desmagnetização e, portanto, o campo H interno é igual ao campo H aplicado .
Com materiais magnéticos duros (como ímãs de neodímio sinterizado ), o processo microscópico detalhado de reversão de magnetização depende se o ímã está em uma configuração de circuito aberto ou fechado, uma vez que o meio magnético ao redor do ímã influencia as interações entre os domínios em um forma que não pode ser totalmente capturada por um fator de desmagnetização simples.
Modelos
Os modelos empíricos mais conhecidos em histerese são os modelos de Preisach e Jiles-Atherton . Esses modelos permitem uma modelagem precisa do loop de histerese e são amplamente utilizados na indústria.
No entanto, esses modelos perdem a conexão com a termodinâmica e a consistência energética não é garantida. Um modelo mais recente, com uma base termodinâmica mais consistente, é o modelo de histerese consistente não conservativa incremental vetorial (VINCH) de Lavet et al. (2011). é inspirado nas leis de endurecimento cinemático e na termodinâmica dos processos irreversíveis . Em particular, além de fornecer uma modelagem precisa, a energia magnética armazenada e a energia dissipada são conhecidas em todos os momentos. A formulação incremental obtida é consistente em termos de variação, ou seja, todas as variáveis internas decorrem da minimização de um potencial termodinâmico. Isso permite obter facilmente um modelo vetorial enquanto Preisach e Jiles-Atherton são modelos fundamentalmente escalares.
O modelo Stoner-Wohlfarth é um modelo físico que explica a histerese em termos de resposta anisotrópica (eixos "fáceis" / "duros" de cada grão cristalino).
As simulações de micromagnetismo tentam capturar e explicar em detalhes os aspectos de espaço e tempo dos domínios magnéticos em interação, muitas vezes com base na equação de Landau-Lifshitz-Gilbert .
Modelos de brinquedo, como o modelo de Ising, podem ajudar a explicar os aspectos qualitativos e termodinâmicos da histerese (como a transição de fase do ponto de Curie para o comportamento paramagnético), embora não sejam usados para descrever ímãs reais.
Formulários
Existe uma grande variedade de aplicações da teoria da histerese em materiais magnéticos. Muitos deles usam sua capacidade de reter uma memória, por exemplo , fita magnética , discos rígidos e cartões de crédito . Nessas aplicações, ímãs rígidos (alta coercividade) como o ferro são desejáveis para que a memória não seja facilmente apagada.
Ímãs macios (baixa coercividade) são usados como núcleos em transformadores e eletroímãs . A resposta do momento magnético a um campo magnético aumenta a resposta da bobina enrolada nele. A baixa coercividade reduz a perda de energia associada à histerese.
O material de histerese magnética (barras macias de níquel-ferro) tem sido usado para amortecer o movimento angular de satélites em órbita terrestre baixa desde o início da era espacial.