Hysteresis

Hysterese is het effect dat de magnetisatie van een ferromagnetisch materiaal niet exact evenredig verloopt met het externe magnetische veld en afhangt van de magnetische voorbehandeling van het materiaal. Dit betekent, dat de magnetisatie van bijv. een ijzerhoudend voorwerp niet dubbel zo groot wordt, wanneer men het externe magneetveld verdubbelt. In het bijzonder blijven ferromagnetische materialen licht gemagnetiseerd, als het externe magneetveld geheel wordt uitgeschakeld. Deze resterende magnetisatie wordt remanentie genoemd.

Aanvankelijk stijgt de magnetisatie van een ferromagneet met het externe magnetische veld. Wanneer het externe magnetisch veld wordt gereduceerd, dan neemt ook de magnetisatie weer af. Dit proces verloopt echter langzamer dan de voorgaande toename van de magnetisatie, zodat er zelfs nog magnetisatie (remanentie) overblijft, wanneer het externe magneetveld volledig wordt uitgeschakeld. Deze niet-evenredige samenhang is een zeker "achterblijven" van de magnetische fluxdichtheid op de magnetiserende veldsterkte. De naam hysterese komt van het Griekse ηψστερoσ (hysteros = achteraf).

Hysteresecurve voor ferromagnetische materialen

Een wiskundige curve, die de respectieve magnetisatie als magnetische fluxdichtheid B bij een bepaald extern magneetveldH aangeeft, wordt hysteresecurve genoemd (zie afbeelding).

Hystereselus = hysteresecurve

In de wetenschappelijke literatuur verwijzen de termen "hysteresecurve" en "hystereselus" naar hetzelfde fenomeen, zoals waargenomen in alle ferromagnetische materialen en andere fysieke systemen. Hiermee wordt over het algemeen de vertraging van de magnetisatie van een materiaal in relatie tot het aangelegde magnetisch veld bedoeld.

Deze vertraging is echter niet temporeel, maar heeft betrekking op de behaalde sterkte. Wanneer het magnetisch veld varieert, blijft de magnetisatie iets achter bij de theoretisch haalbare waarde, wat in een diagram als een lus wordt weergegeven (afbeelding). Deze hystereselus is een belangrijk concept in de materiaalkunde, omdat het inzicht geeft in de magnetische eigenschappen en de energieverliezen van het materiaal.

De hysteresiscurve is voor verschillende materialen verschillend en komt alleen voor bij ferromagnetische materialen. Een magnetisch zacht materiaal wordt gekarakteriseerd door de hysteresiscurve die links in de afbeelding wordt getoond, een magnetisch hard materiaal door de rechtse hysteresiscurve.

Het gebied dat wordt ingesloten door de hysteresiscurve heeft de dimensie van een energie (het energieproduct is bijvoorbeeld het product van magnetisch veld H en magnetische fluxdichtheid B, zoals het oppervlak van een rechthoek het product is van breedte en lengte). Het gebied dat wordt ingesloten door de hysteresiscurve is precies de energie per volume-eenheid van de magneet, die bij een cyclus van magnetisatie van de positieve verzadigingsfluxdichtheid B_S tot de negatieve verzadigingsfluxdichtheid –B_S en de daaropvolgende terugweg van –B_S tot B_S moet worden gebruikt. Deze energie komt tijdens het magnetisatieproces vrij als warmte. Bij magnetisch harde materialen is deze energie groter dan bij magnetisch zachte materialen. De harde materialen zijn dienovereenkomstig beter bestand tegen kleine verstoringen van de magnetisatie door externe magnetische velden, warmte of schokken en zijn goed geschikt als magneetmaterialen voor permanente magneten. Zachtmagnetische stoffen worden gebruikt voor transformatoren, omdat de magnetisering slechts weinig energie verbruikt.

De nieuwcurve

De rode curve geeft in het linker voorbeeld, bij wijze van voorbeeld, het verloop van de magnetische fluxdichtheid aan in een materiaal dat nog niet gemagnetiseerd is. Het wordt ook wel de "nieuwcurve" of "onbeschreven" curve genoemd.

Hier is de magnetische fluxdichtheid en daarmee ook de magnetisatie M van het materiaal benaderend lineair ten opzichte van het externe magnetische veld H. De formule is: M=(μ-1)•H. Hierbij duidt μ de magnetische permeabiliteit aan.

Wat gebeurt er met het magnetische veld binnenin het materiaal?

Het magnetische veld binnenin het materiaal is de som van het externe magnetische veld H en de magnetisatie van het materiaal M.

Als het lichaam al gemagnetiseerd is, veroorzaakt een magnetisch veld H, dat tegengesteld is aan de magnetisatie van het lichaam, eerst een verzwakking van de bestaande magnetisatie. Pas vanaf de zogenaamde coërcitieve veldsterkte H_c treedt magnetisatie parallel aan het externe magnetische veld, dus ommagnetisatie op. De nieuwe magnetisatie stijgt niet-lineair tot de verzadigingsveldsterkte B_S. Als men vervolgens het externe magnetische veld weer vermindert, neemt de magnetische fluxdichtheid in het materiaal langzamer af dan dat deze eerst toenam. Uiteindelijk blijft zelfs de remanentie B_R over.

Fysische achtergrond van de hysterese

De fysieke achtergrond van de hysterese ligt in het bestaan van de elektronspins als elementaire magnetische momenten van ferromagnetische stoffen. De sterke magnetisatie van deze stoffen in externe magnetische velden wordt veroorzaakt doordat de magnetische momenten zich in een extern magnetisch veld richten en daarbij door de uitwisselingsinteractie worden gestabiliseerd. De uitgelijnde magnetische momenten maken het ferromagnetische materiaal zelf tot een magneet.

Bij de verzadigingsveldsterkte en de overeenkomstige verzadigde magnetische flux B_S zijn alle magnetische momenten parallel uitgelijnd. Deze toestand wordt aangeduid als magnetische verzadiging.

Na de uitlijning staan de magnetische momenten van de elektronspins in wederzijdse uitwisselingsinteractie. De energie van deze interactie moet worden geleverd om de magnetisatie van een materiaal weer ongedaan te maken, dat wil zeggen, de uitlijning van de gestabiliseerde elektronspins te vernietigen. Dit betekent dat de demagnetisatie langzamer verloopt dan de magnetisatie, omdat de magnetische momenten van het monster elkaar onderling stabiliseren. Het kost energie om deze stabilisatie ongedaan te maken. Als de uitwisselingsinteractie groot is, omvat de hysteresecurve een groot oppervlak en spreekt men van magnetisch harde materialen.