Коэрцитивная сила

Коэрцитивная сила — это физическая величина, характеризующая способность ферромагнитного или сегнетоэлектрического материала сохранять намагниченность (или поляризацию) после снятия внешнего магнитного (или электрического) поля. Численно коэрцитивная сила определяется как минимальная напряжённость внешнего магнитного поля (или минимальная напряжённость электрического поля), которую необходимо приложить к образцу в направлении, противоположном остаточной намагниченности (или остаточной поляризации), чтобы полностью размагнитить (или деполяризовать) его.

Физический смысл и определение

Коэрцитивная сила является ключевой характеристикой магнитного гистерезиса — явления, при котором магнитная индукция \( B \) в материале отстаёт от изменения напряжённости внешнего магнитного поля \( H \). На графике петли гистерезиса (зависимости \( B \) от \( H \)) коэрцитивная сила соответствует точке пересечения петли с осью абсцисс (осью \( H \)) при \( B = 0 \). В этой точке внешнее поле полностью компенсирует остаточную намагниченность материала.

В контексте сегнетоэлектриков (ферроэлектриков) аналогичная величина называется коэрцитивным полем и характеризует напряжённость электрического поля, необходимую для снятия остаточной поляризации.

Классификация по величине коэрцитивной силы

По величине коэрцитивной силы магнитные материалы делятся на три основные группы:

Магнитомягкие материалы

Магнитомягкие материалы обладают низкой коэрцитивной силой (обычно менее 1000 А/м). Они легко намагничиваются и размагничиваются, имеют узкую петлю гистерезиса. К этой группе относятся:

• Электротехническая сталь (коэрцитивная сила 30–100 А/м);
• Пермаллой (сплав никеля с железом, коэрцитивная сила 1–10 А/м);
• Аморфные и нанокристаллические сплавы (коэрцитивная сила до 1 А/м).

Применение: сердечники трансформаторов, дросселей, электромагнитов, магнитных головок, датчиков.

Магнитотвёрдые материалы

Магнитотвёрдые материалы имеют высокую коэрцитивную силу (более 10 000 А/м, у лучших образцов — до 10⁶ А/м). Они обладают широкой петлёй гистерезиса и способны долго сохранять намагниченность. К этой группе относятся:

• Ферриты бария и стронция (коэрцитивная сила 150–300 кА/м);
• Сплавы неодим-железо-бор (NdFeB) — до 10⁶ А/м;
• Самарий-кобальтовые магниты (SmCo) — до 800 кА/м;
• Мартенситные стали (исторически первые постоянные магниты).

Применение: постоянные магниты для электродвигателей, генераторов, динамиков, магнитных сепараторов, медицинских томографов.

Промежуточные материалы

Материалы со средней коэрцитивной силой (1000–10 000 А/м) занимают промежуточное положение. К ним относятся некоторые марки кобальтовых сталей и сплавов типа альнико.

Факторы, влияющие на коэрцитивную силу

Величина коэрцитивной силы определяется микроструктурой материала и механизмами закрепления (пиннинга) доменных границ:

1. Дефекты кристаллической решётки — дислокации, вакансии, включения второй фазы. Чем больше дефектов, тем выше коэрцитивная сила, так как они препятствуют движению доменных стенок.
2. Размер зёрен — в поликристаллических материалах уменьшение размера зерна до нанометрового диапазона (менее 100 нм) может резко увеличить коэрцитивную силу за счёт эффекта однодоменности.
3. Химический состав — легирование элементами (кобальт, никель, алюминий, титан) изменяет магнитокристаллическую анизотропию.
4. Температура — с повышением температуры коэрцитивная сила обычно уменьшается, достигая нуля при температуре Кюри (точка магнитного фазового перехода).
5. Механические напряжения — упругие и пластические деформации могут как увеличивать, так и уменьшать коэрцитивную силу в зависимости от знака магнитострикции.

Коэрцитивная сила в сегнетоэлектриках

В сегнетоэлектрических материалах (например, титанат бария BaTiO₃, цирконат-титанат свинца PZT) коэрцитивное поле характеризует напряжённость электрического поля, необходимую для переключения поляризации. Типичные значения для керамических сегнетоэлектриков составляют 0,5–2 кВ/мм. В тонкоплёночных сегнетоэлектриках, используемых в сегнетоэлектрической памяти (FeRAM), коэрцитивное поле может достигать 50–100 кВ/мм.

Методы измерения

Для измерения коэрцитивной силы магнитных материалов применяются:

• Баллистический метод — основан на измерении магнитного потока при перемагничивании образца в катушке.
• Вибрационный магнитометр (VSM) — образец колеблется в однородном магнитном поле, индуцируя ЭДС в измерительных катушках.
• Магнитометр с градиентом поля (SQUID) — сверхпроводящий квантовый интерферометр для высокоточных измерений.
• Метод размагничивания — последовательное приложение полей противоположного направления до исчезновения намагниченности.

Для сегнетоэлектриков коэрцитивное поле измеряют с помощью пироэлектрического или пьезоэлектрического отклика, а также по петлям диэлектрического гистерезиса (метод Сойера — Тауэра).

Практическое значение

• В электротехнике низкая коэрцитивная сила необходима для минимизации потерь на перемагничивание (гистерезисные потери) в трансформаторах и электрических машинах. Потери пропорциональны площади петли гистерезиса.
• В магнитной записи высокая коэрцитивная сила носителя (магнитной ленты, жёсткого диска) обеспечивает стабильность хранения информации, но требует более сильного поля для записи.
• В постоянных магнитах высокая коэрцитивная сила гарантирует устойчивость к размагничиванию внешними полями и механическими воздействиями.
• В магниторезистивных датчиках и магнитной памяти (MRAM) коэрцитивная сила определяет пороговые токи переключения между состояниями.

Связь с другими характеристиками

Коэрцитивная сила связана с остаточной намагниченностью \( B_r \) и максимальной магнитной энергией \( (BH)_{\text{max}} \) магнитотвёрдых материалов. Для идеального прямоугольного гистерезиса справедливо соотношение: \( H_c \approx B_r / \mu_0 \), где \( \mu_0 \) — магнитная постоянная. В реальных материалах это соотношение нарушается из-за нелинейностей.

Историческая справка

Понятие коэрцитивной силы ввёл в 1850-х годах немецкий физик Вильгельм Вебер при изучении магнетизма стали. В 1881 году американский инженер Элиу Томсон разработал метод измерения коэрцитивной силы, а в 1930-х годах советский физик Николай Акулов заложил основы современной теории магнитного гистерезиса, связав коэрцитивную силу с дефектами кристаллической решётки.

Источники

• Акулов Н. С. Ферромагнетизм. — М.: Гостехиздат, 1939.
• Бозорт Р. Ферромагнетизм. — М.: Иностранная литература, 1956.
• Лифшиц Е. М., Питаевский Л. П. Статистическая физика. Ч. 2. — М.: Наука, 1978.
• Коэрцитивная сила // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1988.
• ГОСТ 19693-74. Материалы магнитные. Термины и определения. — М.: Издательство стандартов, 1974.