Магни́тный гистере́зис (от греч. ὑστέρησις – отставание, запаздывание), неоднозначная зависимость вектора намагниченности или вектора магнитной индукции магнитоупорядоченного вещества от вектора напряжённости внешнего магнитного поля.

Рис. 1. Механизм возникновения магнитного гистерезиса.Рис. 1. Механизм возникновения магнитного гистерезиса.В общем случае гистерезис – явление, заключающееся в том, что физическая величина, характеризующая состояние тела (например, намагниченность), неоднозначно зависит от физической величины, характеризующей внешние условия (например, от напряжённости магнитного поля). Причина явления состоит в том, что протекание процесса, в данном случае изменение намагниченности материала, происходит путём преодоления энергетического барьера с последующим беззатратным (произвольным) его течением. Рис. 1 (а, б) иллюстрирует механизм возникновения магнитного гистерезиса.

Рис. 2. Схема формирования петли гистерезиса.Рис. 2. Схема формирования петли гистерезиса.Магнитный гистерезис наблюдается в магнитоупорядоченных веществах, например в ферромагнетиках и ферримагнетиках, которые обычно разбиты на магнитные домены – области с одинаковым направлением вектора спонтанной (самопроизвольной) намагниченности $\boldsymbol M_s$. Направление вектора намагниченности в различных доменах отличается. При действии внешнего магнитного поля напряжённостью $H$ размер доменов, имеющих направление вектора намагниченности, близкое к направлению внешнего магнитного поля, увеличивается за счёт других доменов благодаря смещению границ между доменами. После того как домен занимает весь объём материала, начинается процесс вращения $\boldsymbol M$ к направлению $\boldsymbol H.$ В достаточно большом поле образец достигнет магнитного насыщения и будет представлять собой один домен с $\boldsymbol M,$ параллельным $\boldsymbol H.$ При уменьшении напряжённости внешнего магнитного поля значение намагниченности будет уменьшаться за счёт зарождения и роста доменов с направлением $\boldsymbol M,$ близким к противоположному по сравнению с приложенным магнитным полем (рис. 2).

Рис. 3. Предельная и частные петли гистерезиса по индукции.Рис. 3. Предельная и частные петли гистерезиса по индукции.При нулевом внешнем магнитном поле из-за преодоления энергетических барьеров при движении доменной стенки возникает отставание изменения намагниченности от уменьшения поля (явление гистерезиса). Величина намагниченности (магнитной индукции) в нулевом поле носит название остаточной намагниченности $M_r$ (остаточной магнитной индукции $B_r).$ Её величина зависит в основном от наличия в магнетике магнитной текстуры, т. е. преимущественного направления осей лёгкого намагничивания вдоль силовых линий внешнего магнитного поля. Увеличение напряжённости поля, приложенного противоположно намагничивающему полю (отрицательного поля) приводит к уменьшению намагниченности. Магнитное поле, в котором намагниченность равна нулю, называют полем коэрцитивной силы $H_c.$ Последующее увеличение внешнего поля приводит к намагничиванию материала в противоположном (отрицательном) направлении до насыщения. При уменьшении отрицательного поля и приложении внешнего поля в положительном направлении до достижения состояния магнитного насыщения в этом направлении зависимость намагниченности от внешнего магнитного поля представляет собой замкнутую, как правило симметричную, петлю (т. н. петлю гистерезиса). Если при измерении петли гистерезиса ферромагнетика намагниченность не достигает насыщения, то петли гистерезиса будут внутренними, или частными (рис. 3).

Площадь петли гистерезиса характеризует энергетические затраты на процесс перемагничивания и зависит от физических свойств ферромагнетика и его металлографической структуры. Магнитомягкие материалы имеют узкую петлю гистерезиса, а магнитотвёрдые материалы – широкую. Коэрцитивная сила определяет ширину петли гистерезиса и, как следствие этого, область применения материала в технике. В зависимости от того, в каких координатах проводится измерение (намагниченность или магнитная индукция), различают коэрцитивную силу по намагниченности $_МH_c$ и по индукции $_BH_c.$ Коэрцитивная сила является структурно чувствительным параметром, т. е. зависит от металлографической структуры (морфологии фаз, количества и свойств дефектов кристаллической структуры).

Механизмы, определяющие величину коэрцитивной силы, или механизмы гистерезиса следующие:

• эффективность закрепления и, соответственно, трудность отрыва доменной стенки от места закрепления. Местом закрепления может быть градиент внутренних напряжений в материале или наличие в нём другой фазы. Закрепление доменной стенки будет наиболее эффективно в случае, когда ширина области градиента или диаметр другой фазы сравнимы по размеру;

• трудность образования в материале зародыша – области с направлением намагниченности, противоположным по отношению к направлению намагниченности во всём материале, или трудность роста такого зародыша. Как правило, образование зародыша происходит в месте дефекта кристаллической структуры;

• трудность вращения вектора намагниченности в ферромагнетике, когда в нём по энергетическим причинам не может образоваться доменная стенка. Такой механизм реализуется в наноразмерных частицах, например, для железа критический размер однодоменности составляет 10–15 нм.

Технология производства магнитомягких материалов направлена на максимальное уменьшение ширины петли магнитного гистерезиса. Для сплавов типа пермаллой регулировкой химического состава добиваются минимизации констант магнитной кристаллической анизотропии и констант магнитострикции. Фактором, способствующим уменьшению магнитного гистерезиса, является исключение возникновения в материале внутренних напряжений, которые приводят к росту коэрцитивной силы и увеличению магнитного гистерезиса. Коэрцитивная сила магнитомягких материалов составляет от 0,8 до 8 А/м (от 0,01 до 0,1 Э).

Рис. 4. Петли гистерезиса по намагниченности и по индукции.Рис. 4. Петли гистерезиса по намагниченности и по индукции.Технология производства магнитотвёрдых материалов направлена на максимальное уширение петли магнитного гистерезиса. Для этих материалов свойственна существенная разница магнитного гистерезиса, измеренного по намагниченности и по индукции (рис. 4).

В отличие от магнитомягких материалов, в магнитотвёрдых сплавах для получения широкой петли магнитного гистерезиса используются все три механизма гистерезиса. В сплавах систем $\text{Fe-Co-Ni-Al-Ti}$ используют спинодальный распад пересыщенного твёрдого раствора для получения однодоменных удлинённых частиц. Сплавы на основе соединений редкоземельных металлов (РЗМ) с 3d-металлами (типа $\text{SmCo}_5$, $\text{Nd}_2\text{Fe}_{14}\text{B})$ измельчают, текстурируют в магнитном поле и спекают для реализации второго механизма гистерезиса. В сплавах системы $\text{Sm-Co-Fe-Cu-Zr}$ используется механизм гистерезиса, связанный с закреплением доменной стенки на включениях фазы $\text{SmCo}_5.$ Значения $_BH_c$ в этих материалах находятся в интервале 700–1400 Э (55–1200 кА/м), а $_MH_с$ в материалах на основе соединений РЗМ достигают 4·10⁴ Э (3200 кА/м).

Рис. 5. Петли гистерезиса удельной намагниченности для магнитотвёрдого материала.Рис. 5. Петли гистерезиса удельной намагниченности для магнитотвёрдого материала.На механизм гистерезиса кроме указанных факторов могут влиять особенности магнитного поведения конкретного материала. В магнитомягких материалах на основе $\text{Fe-Co-Ni}$ $\text{(Fe}$-24,3; $\text{Co}$-26,0; $\text{Ni}$-49,7 весовых %) наблюдается независимость магнитной проницаемости от величины напряжённости магнитного поля (в полях до 1–2 Э), вследствие чего петля гистерезиса приобретает характерную «перетянутую» форму с малым значением остаточной индукции и коэрцитивной силы. В магнитотвёрдом материале $\text{Nd}_2\text{Fe}_{14}\text{B}$ при 130 К наблюдается спин-переориентационный фазовый переход, который также приводит к изменению петли гистерезиса. За счёт спин-переориентационного перехода в этом соединении при температурах ниже 130 К изменяются знаки констант магнитной кристаллической анизотропии, и происходит переход от оси лёгкого намагничивания к конусу осей лёгкого намагничивания, что приводит к уменьшению остаточной намагниченности и «прогибу» петли гистерезиса (рис. 5).

Гистерезисное поведение могут показывать и другие магнитные характеристики, например магнитострикция и магнитная восприимчивость.