磁気ヒステリシス

磁性体において磁束密度Bが磁化力Hに遅れる現象を磁気ヒステリシスという。ヒステリシスの語源はギリシャ語のHystereinで後ろに遅れるという意味です。

つまり、磁性材料をまず一方向に磁化し、次に他方向に磁化して1サイクルを完了すると、磁束密度Bは加えられた磁化力Hに遅れることが分かります。

磁性材料の種類として、常磁性、反磁性、強磁性、反強磁性材料などがありますが、その中で、強磁性、反強磁性、強磁性、強磁性材料は、磁化力Fが磁化力Fより大きく、磁化力Fが磁化力Fより小さく、磁束密度Fは磁化力Fに比べ小さいという特徴があります。強磁性体は主にヒステリシスループの発生に関与する。

磁場が印加されていないとき、強磁性体は常磁性体のようにふるまう。これは、初期段階では強磁性材料の双極子が整列していないことを意味し、それらはランダムに配置されています。

磁場が強磁性材料に適用されるとすぐに、その双極子モーメントは、はるかに強い磁場をもたらし、上の図に示すように特定の1方向に自分自身を整列させる。

磁気ヒステリシス現象を理解するのに、均一に巻きつけたソレノイドでリング状の磁性体を考えてみます。このソレノイドは下図のようにD.P.D.T（Double pole Double throw）リバーシブルスイッチを介して直流電源に接続されている。

初期状態ではスイッチは1の位置である。 Rの値を小さくするとソレノイドの電流値は徐々に増加し、その結果、磁界強度Hは徐々に増加し、磁束密度も飽和点aに達するまで増加し、得られる曲線は「oa」である。電流を増やすと、双極子モーメントや磁石材料の分子が一方向に揃うので、飽和が起こります。

さて、ソレノイドの電流をゼロにすると、磁化力は次第にゼロになります。しかし、磁束密度の値はH=0の時の値obのままなのでゼロにはならず、得られる曲線は下図のようにabになります。この磁束密度の値obは残留磁気のためです。

磁性体が保持している磁束密度の値obを残留磁気といい、その保持力を材料の保持力として知られています。

次に磁気リングを消磁するためにD.P.D.T可逆スイッチの位置を2に変え、ソレノイドに流れる電流の方向を逆にし、逆磁力Hを発生させます。 9471>

残留磁気obを消すのに必要な磁力ocの値を上図のヒステリシス曲線のピンク色で示したCoercive forceと呼びます。

次にヒステリシスループを完成させるために、磁化力Hを飽和点dに達するまで逆方向にさらに増加させますが、負方向には曲線はcdの軌跡をたどります。

スイッチの位置を2から1に戻し、ソレノイドの電流を再び磁化のときと同様に増加させ、このためHは正方向に増加し’efa’となり、最後にヒステリシスループは完了します。 6269>

ここで、1サイクルで残留磁気を除去するのに必要な保磁力の総和をcfで表します。上記の議論から、磁束密度Bは常に磁化力Hに遅れていることが明らかである。したがって、ループ’abcdefa’は磁気ヒステリシスループまたはヒステリシス曲線と呼ばれる

Magnetic hysteresisは熱という形で無駄なエネルギーの消散になる。無駄なエネルギーは、磁気ヒステリシスループの面積に比例します。主に軟磁性体と硬磁性体の2種類があります。
軟磁性体

軟磁性体は下図のような狭い磁気ヒステリシスループを持ち、散逸エネルギーが小さいのが特徴です。鉄やケイ素鋼などの材料で構成されています。

硬質磁性材料

下図のようにヒステリシスループが広く、エネルギー損失が大きく、減磁処理が難しくなる。

磁気ヒステリシスの応用

ヒステリシスループが広い磁性材料は磁気テープなどのデバイスに使用されています。ハードディスク、クレジットカード、オーディオ録音など、メモリが消えにくいという特徴があります。
ヒステリシスループが狭い磁性材料は、電磁石、ソレノイド、トランス、リレーなど、最小限のエネルギー消費で済むものに使用されている