Manyetik histerezis, bir ferromanyetik malzemeye uygulanan manyetik alan'ın (H) değişmesine bağlı olarak, malzemenin mıknatıslanma'sının (M) veya manyetik akı yoğunluğu'nun (B) ani olarak aynı yönde değişmemesi, geride kalması olayıdır. Diğer bir deyişle, uygulanan manyetik alan kaldırıldıktan sonra bile malzemenin bir miktar manyetikleşmiş kalmasıdır. Bu gecikme, malzemenin manyetik geçmişine bağlıdır ve bir döngü (histerezis döngüsü) şeklinde görselleştirilir.
Manyetik histerezis, maddenin manyetik özellikleri ile ilgili önemli bir olgudur. Bu olgu, ferromanyetik, ferrimanyetik ve antiferromanyetik gibi bazı maddelerde gözlemlenir. Temel olarak, malzemenin mıknatıslanmasının uygulanan manyetik alana karşı bir "gecikme" göstermesi anlamına gelir. Bu gecikme, malzemenin manyetik alanın geçmiş değerlerine bağımlı olmasından kaynaklanır.
Manyetik histerezisi anlamak için bazı temel manyetik kavramları bilmek önemlidir.
Manyetik alan şiddeti (H), bir manyetik alanın kaynağı tarafından oluşturulan manyetik alanın yoğunluğunu ifade eder. Birimi genellikle Amper/metre (A/m) veya Oersted (Oe) olarak kullanılır.
Mıknatıslanma (M), bir malzemenin birim hacmindeki manyetik dipol momentlerinin vektörel toplamıdır. Mıknatıslanma, malzemenin ne kadar güçlü bir şekilde mıknatıslanabildiğini gösterir ve Amper/metre (A/m) birimiyle ölçülür.
Manyetik akı yoğunluğu (B), bir manyetik alandaki manyetik alan çizgilerinin yoğunluğunu ifade eder. Tesla (T) birimiyle ölçülür ve manyetik alan şiddeti (H) ve mıknatıslanma (M) arasındaki ilişki şu şekilde ifade edilir:
B = μ₀(H + M)
Burada μ₀, boşluğun manyetik geçirgenliği'dir.
Geçirgenlik (μ), bir malzemenin manyetik akıyı ne kadar iyi ilettiğini gösteren bir özelliktir. Bağıl geçirgenlik (μr) ise, malzemenin geçirgenliğinin boşluğun geçirgenliğine (μ₀) oranıdır (μr = μ / μ₀).
Kalıcı mıknatıslanma (Br), uygulanan manyetik alan sıfıra indirildikten sonra bir ferromanyetik malzemede kalan mıknatıslanma miktarıdır. Histerezis döngüsünün B eksenini kestiği noktadır.
Zorlayıcı alan (Hc), kalıcı mıknatıslanmayı sıfıra indirmek için gerekli olan ters yöndeki manyetik alanın şiddetidir. Histerezis döngüsünün H eksenini kestiği noktadır.
Histerezis döngüsü, bir ferromanyetik malzemenin manyetik alan şiddeti (H) ile manyetik akı yoğunluğu (B) arasındaki ilişkiyi grafiksel olarak gösteren bir eğridir. Bu döngü, malzemenin manyetik özelliklerini ve histerezis davranışını anlamak için önemli bilgiler sunar.
Histerezis döngüsü, aşağıdaki parametreleri içerir:
Manyetik histerezis, malzemenin iç yapısındaki ve manyetik alan etkileşimlerindeki çeşitli mekanizmaların bir sonucu olarak ortaya çıkar.
Ferromanyetik malzemelerde, atomik manyetik momentler, manyetik alanlar olarak adlandırılan küçük bölgelerde paralel olarak hizalanır. Bu alanlar arasındaki sınırlara alan duvarları denir. Uygulanan bir manyetik alan, bu alan duvarlarının hareket etmesine neden olarak, uygulanan alan yönünde daha fazla sayıda alanın büyümesine ve malzemenin toplam mıknatıslanmasının artmasına yol açar. Ancak, alan duvarlarının hareketi, kristal kusurları, gerilmeler ve diğer engeller nedeniyle kolayca engellenebilir. Bu engellerin üstesinden gelmek için ek enerji gerekir ve bu da histerezise neden olur.
Güçlü manyetik alanlarda, alan duvar hareketi doygunluğa ulaştıktan sonra, manyetik momentlerin dönmesiyle mıknatıslanma artar. Bu dönme süreci, enerji gerektirir ve geri dönüşümsüz olabilir, bu da histerezise katkıda bulunur.
Kristal yapıdaki kusurlar (boşluklar, yabancı atomlar, dislokasyonlar) ve iç gerilmeler, alan duvarlarının hareketini engelleyerek histerezisi artırır. Bu kusurlar, alan duvarlarının takılıp kalmasına neden olur ve bu duvarları serbest bırakmak için ek bir manyetik alan gerektirir.
Manyetik histerezisin hem olumlu hem de olumsuz etkileri vardır.
Histerezis, manyetik malzemelerin enerji kaybetmesine neden olur. Özellikle alternatif akım (AC) devrelerinde kullanılan transformatörler ve elektrik motorları gibi cihazlarda, manyetik alan sürekli olarak değiştiği için histerezis kayıpları önemli olabilir. Histerezis döngüsünün alanı, bir döngüdeki enerji kaybını temsil eder.
Manyetik histerezis, manyetik depolama cihazlarının temelini oluşturur. Sabit bir kalıcı mıknatıslanmaya sahip malzemeler (sert manyetik malzemeler), bilgiyi depolamak için kullanılabilir. Bu malzemelerin mıknatıslanma yönü, "0" veya "1" gibi bitleri temsil eder.
Manyetik sensörler (örneğin, Hall etkisi sensörleri), manyetik alan değişikliklerini algılamak için kullanılır. Histerezis, sensörlerin doğruluğunu ve hassasiyetini etkileyebilir. Bu nedenle, sensör tasarımında histerezisin dikkate alınması önemlidir.
Malzemelerin manyetik özelliklerine bağlı olarak, histerezis farklı şekillerde ortaya çıkabilir. Temel olarak, sert ve yumuşak manyetik malzemeler arasında farklılıklar vardır.
Sert manyetik malzemeler, yüksek kalıcı mıknatıslanmaya (Br) ve yüksek zorlayıcı alana (Hc) sahiptir. Bu malzemeler, mıknatıslanmalarını koruma eğilimindedirler ve kolayca demanyetize olmazlar. Kalıcı mıknatıslar, manyetik kayıt ortamları ve hoparlörler gibi uygulamalarda kullanılırlar. Örnekler arasında neodim mıknatıslar (NdFeB) ve samaryum-kobalt (SmCo) mıknatısları bulunur.
Yumuşak manyetik malzemeler, düşük kalıcı mıknatıslanmaya (Br) ve düşük zorlayıcı alana (Hc) sahiptir. Bu malzemeler, kolayca mıknatıslanır ve demanyetize olurlar. Transformatör çekirdekleri, indüktörler ve elektromıknatıslar gibi uygulamalarda kullanılırlar. Örnekler arasında demir, silisyum çeliği ve nikel-demir alaşımları (Permalloy) bulunur.
Manyetik histerezis, VSM (Vibrating Sample Magnetometer – Titreşimli Numune Manyetometresi) veya BH döngü ölçer gibi özel cihazlar kullanılarak ölçülebilir. Bu cihazlar, bir manyetik alan uygulayarak malzemenin mıknatıslanmasını ölçer ve histerezis döngüsünü oluşturur.
Manyetik histerezis, birçok teknolojik uygulamada önemli bir rol oynar.
Transformatörler enerji iletimi ve dağıtımında yaygın olarak kullanılır. Transformatörlerin çekirdekleri, yumuşak manyetik malzemelerden yapılır. Düşük histerezisli malzemeler kullanmak, enerji kayıplarını azaltır ve transformatörlerin verimliliğini artırır.
Elektrik motorları, mekanik enerji üretmek için manyetik alanlardan yararlanır. Hem sert hem de yumuşak manyetik malzemeler, motorların tasarımında kullanılır. Histerezis kayıplarını en aza indirmek, motorların verimliliğini artırmak için önemlidir.
Manyetik kayıt ortamları (sabit diskler, manyetik bantlar), bilgiyi depolamak için manyetik histerezis ilkesini kullanır. Sert manyetik malzemeler, verilerin uzun süre saklanmasını sağlar.
Manyetik tarayıcılar (MRI – Manyetik Rezonans Görüntüleme), insan vücudunun iç yapısının görüntülenmesinde kullanılır. Bu cihazlar, güçlü manyetik alanlar kullanarak dokuların manyetik özelliklerini ölçer.
Umarım bu kapsamlı makale, manyetik histerezis hakkında detaylı bir anlayış sağlamanıza yardımcı olur.