Hüsterees

Hüsterees on nähtus, et magnetiseeritus ferromagnetilise materjali ei ole täpselt võrdelises seoses välise magnetväljaga ning sõltub materjali varasemast magnetilisest eeltöötlusest. See tähendab, et näiteks rauda sisaldava eseme magnetiseeritus ei muutu kahekordseks, kui välist magnetvälja kahekordistada. Eriti jäävad ferromagnetilised materjalid vähesel määral magnetiseerituks ka siis, kui väline magnetväli täielikult välja lülitada. Seda jääkmagnetiseeritust nimetatakse remanentsiks.

Ferromagenti magnetiseeritus suureneb algul koos välise magnetväljaga. Kui välist magnetvälja vähendada, väheneb ka magnetiseeritus. See protsess kulgeb siiski aeglasemalt kui eelnev magnetiseerituse kasv, mistõttu jääb isegi veel magnetiseeritust (remanents) alles ka siis, kui magnetväli täielikult välja lülitada. See mittelineaarne seos on teatav "järelkõikumine" magnetilise vootiheduse suhtes magnetiseeriva välja tugevusest. Nimetus hüsterees pärineb kreeka keelest ηψστερoσ (hysteros = järele, hiljem).

Hüstereesikõver ferromagnetilistele materjalidele

Matemaatilist kõverat, mis näitab vastavat magnetiseeritust kui magnetilist vootihedust B teatud välise magnetvälja H korral, nimetatakse hüstereesikõveraks (vt joonis).

Hüstereesisilmus = hüstereesikõver

Teaduskirjanduses tähistavad terminid "hüstereesikõver" ja "hüstereesisilmus" sama nähtust, mida täheldatakse kõigis ferromagnetilistes materjalides ning ka teistes füüsikalistes süsteemides. Sellega mõistetakse üldiselt materjali magnetiseerituse mahajäämust rakendatud magnetvälja suhtes.

See mahajäämus ei ole siiski ajaline, vaid puudutab saavutatud tugevust. Kui magnetvälja muudetakse, jääb magnetiseeritus mõnevõrra arvutuslikult saavutatavale väärtusele alla, mida diagrammil kujutatakse silmusena (joonis). See hüstereesisilmus on materjaliteaduses oluline mõiste, kuna see annab ülevaate materjali magnetomadustest ja energiakadudest.

Hüstereesikõver on erinev eri materjalidel ja esineb ainult ferromagnetilistes materjalides. Magnetiliselt pehmet materjali iseloomustab vasakul kujutatud hüstereesikõver, magnetiliselt kõva materjali paremal olev hüstereesikõver.

Hüstereesikõvera poolt ümbritsetud pindala on mõõtühikult energia (energietoode näiteks on magnetvälja H ja magnetilise vootiheduse B korrutis, nii nagu ristküliku pindala on laiuse ja pikkuse korrutis). Hüstereesikõvera poolt ümbritsetud pindala ongi magneti ruumalaühiku kohta kuluv energia, mis tuleb kulutada magnetiseerituse viimiseks positiivsest küllastusvootihedusest B_S negatiivse küllastusvootiheduseni –B_S ja sellele järgneval tagasiteel –B_S-st B_S-ni. See energia vabaneb ümbermagnetiseerimisel soojusena. Magnetiliselt kõvadel materjalidel on see energia suurem kui magnetiliselt pehmetel materjalidel. Kõvad materjalid on seetõttu vastupidavamad magnetiseerituse väikestele häiringutele väliste magnetväljade, soojuse või löökide tõttu ja sobivad hästi magnetmaterjaliks püsimagnetid. Pehmemagnetilisi aineid kasutatakse trafodes, sest ümbermagnetiseerimine kulutab vähe energiat.

Neukõver

Vasakpoolsel näitel tähistab punane kõver, illustreerivalt kujutatuna, magnetilise vootiheduse kulgu materjalis, mis ei ole veel magnetiseeritud. Seda nimetatakse ka neukõveraks või "neitsilikuks" kõveraks.

Siin on magnetiline vootihedus ja seega ka materjali magnetiseeritus M ligikaudu lineaarses seoses välise magnetväljaga H. Valem on: M=(μ-1)•H. Siin tähistab μ magnetilist permeabiilsust.

Mis toimub magnetväljaga materjali sees?

Materjali sees olev magnetväli on välise magnetvälja H ja materjali magnetiseerituse M summa.

Kui keha on juba magnetiseeritud, põhjustab magnetväli H, mis on keha magnetiseeritusele vastassuunaline, esmalt olemasoleva magnetiseerituse nõrgenemise. Alles alates niinimetatud koertsitiivvälja tugevusest H_c tekib magnetiseeritus paralleelselt välise magnetväljaga, st ümbermagnetiseerumine. Uus magnetiseeritus kasvab mittelineaarselt kuni küllastusvälja tugevuseni B_S. Kui välist magnetvälja seejärel taas vähendada, siis langeb magnetiline vootihedus materjalis aeglasemalt, kui ta varem kasvas. Lõpuks jääb alles isegi remanents B_R.

Hüstereesi füüsikaline taust

Hüstereesi füüsikaline taust seisneb ferromagnetsete ainete elementaarsete elektronispinnide kui magnetiliste momentide olemasolus. Nende ainete tugev magnetiseeritus väliste magnetväljade toimel tekib seetõttu, et magnetilised momendid joondavad end välises magnetväljas ja neid stabiliseerib vahetusvahetoime. Joondunud magnetilised momendid muudavad ferromagnetse materjali ise Magnetiks.

Saturatsioonivälitugevuse ja vastava küllastunud magnetvoo B_S korral on kõik magnetilised momendid paralleelselt joondunud. Seda olekut nimetatakse magnetiliseks küllastuseks.

Pärast joondumist on elektronispinnide magnetilised momendid vastastikuses vahetusvahetoimes. Selle vahetoime energia tuleb kulutada, et materjali magnetiseeritus taas kaotada, s.t stabiliseeritud elektronispinnide joondus hävitada. See tähendab, et magnetiseeritus väheneb aeglasemalt, kui ta tekkis, sest proovi magnetilised momendid stabiliseerivad üksteist. Selle stabilisatsiooni kõrvaldamine nõuab energiat. Kui vahetusvahetoime on suur, hõlmab hüstereesikõver suurt pinda ja rääkida võib magnetiliselt kõvadest materjalidest.