磁滯曲線

磁滯曲線 (Hysteresis loop)
臺中縣縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

磁滯曲線，是指給予鐵磁性(ferromagnetic)物質外加磁場，而使得此物質之磁性產生強度變化，再將此兩者的關係加以記錄並繪圖，而描繪出的曲線，其曲線形狀，可參見Fig.1。

圖中，x軸之H場代表外加磁場，y軸之B場代表鐵磁性物質所擁有的磁場，而所謂的H場，是不考慮物質之導磁率的特性，只關心自由電流對其創造的磁場，因為 每個物質之導磁率不盡相同，尤其對鐵磁性材料而言，導磁率比一般順磁、反磁性之物質大上幾百、甚至幾千倍，因此才創造H場，方便分析，但因為H場和物質之 導磁率無關，而在測量時，無法分辨磁場的來源是來自自由電流或磁偶極，因此H場是測量不到的，真正測量到的磁場，都是B場。

形成鐵磁性物質之導磁率如此大的原因，是因為物質內部的電子自旋可視為磁偶極，而其方向並非隨機分佈，儘管並非所有磁偶極方向都一樣，但都有指向某一方向的趨勢，若趨勢越大，物質之導磁率就會越高。

根據Fig.1，在鐵磁性物質上外加H場(可使用在物質上纏繞線圈，並在線圈上通電流的方式)，因為外加H場的關係，磁偶極的排列會更規律些，不過並 非一通電流，就會使得磁偶極的排列發生改變，因為H場必須先克服磁偶極的慣性(例如摩擦力等等)，因此在電流慢慢提升之後磁偶極才會受到H場的趨使發生轉動。

當然，磁偶極轉動的方向總有個極限，在這個情況下，物質的導磁率會有最大值，並非外加磁場一直增加，導磁率就會一直上升，這個導磁率達到最大值的狀態，稱為磁飽和(magnetic saturation)，現在若將電流慢慢關掉，磁偶極的排列自然會變得較不整齊，但當電流完全關掉的時候，磁偶極的排列仍會比剛開始的排列方式整齊，這 個現象，我們稱為殘磁(residual flux density)，這就是永久磁鐵的由來，接著若給予反向的電流，會重複剛剛的行為，因此遲滯曲線周期性的曲線。

順帶一提，磁性物質，都有所謂的居里溫度，每種材料的居里溫度皆不相同，當磁性物質超過其居里溫度，物質內部的磁偶極會獲得足夠的能量而脫離其排列的趨勢，其方向從有序變為無序，磁性便會消失。

磁滯曲線的相關應用，顯而易見的，在磁性材料中是非常廣泛且基本的，不過有一項應用十分特別，就是可以用這種方法來達到降溫的效果，原理是在一個絕熱空間中，首先外加磁場，使物質之導磁率達極值，接著關掉磁場後，磁偶極的排列會變得比較亂，因為是在絕熱空間中，磁偶極只能從自身的分子、原子中獲取能量，因此對於整體而言，分子、原子中的能量被取走了，溫度自然降低了。

參考資料
http://en.wikipedia.org/wiki/Hysteresis
http://en.wikipedia.org/wiki/Ferromagnetic