磁気ヒステリシス

磁気ヒステリシスは、鉄などの強磁性体に外部磁場が加えられ、原子双極子がそれに合わせて整列するときに発生します。磁場が除去されても、整列の一部は保持されます。つまり、物質は磁化されているということです。いったん磁化されると、磁石は永久に磁化されたままになります。磁化を消すには、熱または反対方向の磁場が必要です。これが、ハードディスク ドライブのメモリ要素を実現する効果です。

このような材料では、磁場の強さHと磁化 Mの関係は 直線的ではありません。磁石を消磁し ( H = M = 0 )、磁場の強さのレベルが増加するにつれてHとMの関係 をプロットすると、M は初期磁化曲線に従います。この曲線は最初は急速に増加し、次に磁気飽和と呼ばれる漸近線に近づきます。磁場が単調に減少すると、M は別の曲線に従います。磁場の強さがゼロの場合、磁化は残留磁化と呼ばれる量だけ原点からオフセットされます。印加磁場のすべての強さに対してH - M関係をプロットすると、メインループと呼ばれるヒステリシスループが得られます。H 軸に沿った中央部分の幅は、材料の保磁力の 2 倍です。^{[1] : 第 1 章}

磁化曲線を詳しく見ると、バルクハウゼンジャンプと呼ばれる一連の小さなランダムな磁化のジャンプが見られるのが一般的です。この効果は転位などの結晶学的欠陥によるものです。^{[1] ：第15章}

磁気ヒステリシスループは強磁性秩序を持つ物質に限った現象ではない。スピングラス秩序などの他の磁気秩序もこの現象を示す。^[2]

強磁性材料におけるヒステリシス現象は、磁化の回転と磁区のサイズまたは数の変化という2 つの効果の結果です。一般に、磁化は磁石全体で変化しますが (方向は変化しますが、大きさは変化しません)、十分に小さい磁石では変化しません。これらの単磁区磁石では、磁化は回転することで磁場に反応します。単磁区磁石は、強力で安定した磁化が必要な場所 (磁気記録など) で使用されます。

大型の磁石はドメインと呼ばれる領域に分割されます。各ドメイン内では磁化は変化しませんが、ドメイン間には比較的薄いドメイン壁があり、その中で磁化の方向が 1 つのドメインの方向から別のドメインの方向へと回転します。磁場が変化すると壁が移動し、ドメインの相対的なサイズが変わります。ドメインは同じ方向に磁化されていないため、単位体積あたりの磁気モーメントは単一ドメイン磁石よりも小さくなりますが、ドメイン壁は磁化の小さな部分のみを回転させるだけなので、磁気モーメントを変更するのははるかに簡単です。磁化はドメインの追加または削減によっても変化します (核生成と脱核と呼ばれる)。

磁気ヒステリシスは、さまざまな方法で特徴付けることができます。一般的に、磁性材料は、電磁石によって誘導される変化する印加Hフィールド内に配置され、結果として生じる磁束密度( Bフィールド) は、通常、サンプル近くのピックアップ コイルに導入される誘導起電力によって測定されます。これにより、特徴的なB - H曲線が生成されます。ヒステリシスは磁性材料のメモリ効果を示すため、 B - H曲線の形状はHの変化の履歴によって異なります。

あるいは、ヒステリシスはBの代わりに磁化 Mとしてプロットされ、M - H曲線が得られます。これらの 2 つの曲線は、 であるため直接関連しています。 ${\displaystyle B=\mu _{0}(H+M)}$

測定は、磁性体が磁気回路内にどのように配置されているかに応じて、閉回路または開回路になります。

• 開放回路測定技術（振動サンプル磁力計など）では、サンプルは電磁石の 2 つの極の間の自由空間に吊り下げられます。このため、消磁場が発生し、磁性材料内部のH場は印加されたHとは異なります。消磁効果を補正すると、通常の BH 曲線が得られます。
• 閉回路測定（ヒステリシスグラフなど）では、サンプルの平らな面が電磁石の極に直接押し付けられます。極面は透磁率が高いため、これにより消磁フィールドが除去され、内部のHフィールドは印加されたHフィールドと等しくなります。

硬磁性材料（焼結ネオジム磁石など）の場合、磁化反転の詳細な微視的プロセスは、磁石が開回路構成か閉回路構成かによって異なります。これは、磁石の周囲の磁性媒体が、単純な減磁係数では完全には捉えられない形でドメイン間の相互作用に影響を与えるためです。^[3]

ヒステリシスに関する最もよく知られている経験的モデルは、Preisach モデルとJiles-Atherton モデルです。これらのモデルはヒステリシス ループの正確なモデリングを可能にし、業界で広く使用されています。

しかし、これらのモデルは熱力学とのつながりを失い、エネルギーの一貫性が保証されません。より一貫した熱力学的基礎を持つ最近のモデルは、Lavetら(2011)のベクトル増分非保存的一貫性ヒステリシス(VINCH)モデルです。これは、移動硬化の法則と不可逆過程の熱力学にヒントを得ています。^[4] 特に、正確なモデリングを提供することに加えて、蓄積された磁気エネルギーと散逸したエネルギーは常に分かっています。得られた増分定式化は変分的に一貫しており、つまり、すべての内部変数は熱力学的ポテンシャルの最小化から得られます。これにより、ベクトルモデルを簡単に取得できますが、PreisachとJiles-Athertonは基本的にスカラーモデルです。

ストナー・ヴォールファールト モデルは、異方性応答 (各結晶粒の「容易」軸 / 「困難」軸) の観点からヒステリシスを説明する物理モデルです。

マイクロマグネティクスシミュレーションは、多くの場合、 Landau-Lifshitz-Gilbert 方程式に基づいて、相互作用する磁区の空間的および時間的側面を詳細に捉え、説明しようとします。

イジングモデルなどのおもちゃのモデルは、実際の磁石を説明するために使用されるわけではありませんが、ヒステリシスの定性的および熱力学的側面（キュリー点の 相転移から常磁性挙動への変化など）を説明するのに役立ちます。

磁性材料におけるヒステリシス理論の応用は多種多様です。その多くは、磁気テープ、ハードディスク、クレジットカードなど、メモリを保持する能力を利用しています。これらの用途では、メモリが簡単に消去されないように、 鉄のような硬い磁石（高保磁力）が望まれます。

軟質磁石（低保磁力）は、変圧器や電磁石のコアとして使用されます。磁気モーメントの磁場に対する応答により、その周囲に巻かれたコイルの応答が強化されます。低保磁力により、ヒステリシスに関連するエネルギー損失が減少します。

磁気ヒステリシス材料（軟質ニッケル鉄棒）は、宇宙時代の幕開け以来、低軌道上の衛星の角運動を減衰させるために使用されてきました。^[5]

• 消磁