Что такое гистерезис?

В сердечнике любого электромагнита после выключения тока всегда сохраняется часть магнитных свойств, называемая остаточным магнетизмом. Величина остаточного магнетизма зависит от свойств материала сердечника и достигает большего значения у закаленной стали и меньшего у мягкого железа.

Однако, как бы ни было мягко железо, остаточный магнетизм все же будет оказывать известное влияние в том случае, если по условиям работы прибора необходимо перемагничивание его сердечника, т. е. размагничивание до нуля и намагничивание в противоположном направлении.

Действительно, при всяком изменении направления тока в обмотке электромагнита необходимо (благодаря наличию в сердечнике остаточного магнетизма) сначала размагнитить сердечник, и только после этого он может быть намагничен в новом направлении. Для этого потребуется какой-то магнитный поток противоположного направления.

Иначе говоря, изменение намагничивания сердечника (магнитной индукции) всегда отстает от соответствующих изменений магнитного потока (напряженности магнитного поля), создаваемого обмоткой.

Представим себе простой электромагнит с железным сердечником. Проведем его через полный цикл намагничивания, для чего будем менять намагничивающий ток от нуля до величины ОМ в обоях направлениях.

Начальный момент: сила тока равна нулю, железо не намагничено, магнитная индукция В=0.

5-я часть: намагничивание, соответствующее процессу 1-й части, доведение магнитной индукции от нуля до + МА путем изменении тока от + ОН до + ОМ.

П ри уменьшении размагничивающего тока до нуля не все элементарные или молекулярные магниты приходят в прежнее беспорядочное состояние, но часть их сохраняет свое положение, соответствующее последнему направлению намагничивания. Это явление запаздывания или задерживания магнетизма и носит название гистерезиса.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Магнитный гистерезис

Гистере́зис (греч. ὑστέρησις — «отстающий») — свойство систем (обычно физических), которые не сразу следуют приложенным силам. Реакция этих систем зависит от сил, действовавших ранее, то есть системы зависят от собственной истории.

Содержание

В физике

Наибольший интерес представляют магнитный гистерезис, сегнетоэлектрический гистерезис и упругий гистерезис.

Магнитный гистерезис

Магнитный гистерезис — явление зависимости вектора намагничивания и вектора напряженности магнитного поля в веществе не только от приложенного внешнего поля, но и от предыстории данного образца. Магнитный гистерезис обычно проявляется в ферромагнетиках — Fe, Co, Ni и сплавах на их основе. Именно магнитным гистерезисом объясняется существование постоянных магнитов.

Явление магнитного гистерезиса наблюдается не только при изменении поля H по величине и знаку, но также и при его вращении (гистерезис магнитного вращения), что соответствует отставанию (задержке) в изменении направления M с изменением направления H. Гистерезис магнитного вращения возникает также при вращении образца относительно фиксированного направления H.

Теория явления гистерезиса учитывает конкретную магнитную доменную структуру образца и её изменения в ходе намагничивания и перемагничивания. Эти изменения обусловлены смещением доменных границ и ростом одних доменов за счёт других, а также вращением вектора намагниченности в доменах под действием внешнего магнитного поля. Всё, что задерживает эти процессы и способствует попаданию магнетиков в метастабильные состояния, может служить причиной магнитного гистерезиса.

В однодоменных ферромагнитных частицах (в частицах малых размеров, в которых образование доменов энергетически невыгодно) могут идти только процессы вращения M. Этим процессам препятствует магнитная анизотропия различного происхождения (анизотропия самого кристалла, анизотропия формы частиц и анизотропия упругих напряжений). Благодаря анизотропии, M как бы удерживается некоторым внутренним полем H_A (эффективным полем магнитной анизотропии) вдоль одной из осей лёгкого намагничивания, соответствующей минимуму энергии. Магнитный гистерезис возникает из-за того, что два направления M (по и против) этой оси в магнитоодноосном образце или несколько эквивалентных (по энергии) направлений М в магнитомногоосном образце соответствуют состояниям, отделённым друг от друга потенциальным барьером (пропорциональным H_A ). При перемагничивании однодоменных частиц вектор M рядом последовательных необратимых скачков поворачивается в направлении H, Такие повороты могут происходить как однородно, так и неоднородно по объёму. При однородном вращении M коэрцитивная сила . Более универсальным является механизм неоднородного вращения M. Однако наибольшее влияние на H_c он оказывает в случае, когда основную роль играет анизотропия формы частиц. При этом H_c может быть существенно меньше эффективного поля анизотропии формы.

Сегнетоэлектрический гистерезис

Сегнетоэлектрический гистерезис — неоднозначная петлеобразная зависимость поляризации P сегнетоэлектриков от внешнего электрического поля E при его циклическом изменении. Сегнетоэлектрические кристаллы обладают в определенном температурном интервале спонтанной (самопроизвольной, то есть возникающей в отсутствие внешнего электрического поля) электрической поляризацией P_c. Направление поляризации может быть изменено электрическим полем. При этом зависимость P(E) в полярной фазе неоднозначна, значение P при данном E зависит от предистории, то есть от того, каким было электрическое поле в предшествующие моменты времени. Основные параметры сегнетоэлектрического гистерезиса:

Упругий гистерезис

В теории упругости явление гистерезиса наблюдается в поведении упругих материалов, которые под воздействием больших давлений способны сохранять деформацию и утрачивать её при воздействии обратного давления (например, вытягивание сжатого стержня). Во многом именно это явление объясняет анизотропию механических характеристик кованых изделий, а также их высокие механические качества.

Различают два вида упругого гистерезиса — динамический и статический.

Динамический гистерезис наблюдают при циклически изменяющихся напряжениях, максимальная амплитуда которых существенно ниже предела упругости. Причиной этого вида гистерезиса является неупругость либо вязкоупругость. При неупругости, помимо чисто упругой деформации (отвечающей закону Гука), имеется составляющая, которая полностью исчезает при снятии напряжений, но с некоторым запаздыванием, а при вязкоупругости эта составляющая полностью со временем не исчезает. Как при неупругом, так и вязкоупругом поведении величина ΔU — энергия упругой деформации не зависит от амплитуды деформации и меняется с частотой изменения нагрузки. Также динамический гистерезис возникает в результате термоупругости, магнитоупругих явлений и изменения положения точечных дефектов и растворённых атомов в кристаллической решётке тела под влиянием приложенных напряжений.

В биологии

Гистерезисные свойства характерны для скелетных мышц млекопитающих.

В почвоведении

В гидрологии

В экономике

Некоторые экономические системы проявляют признаки гистерезиса: например, могут потребоваться значительные усилия, чтобы начать экспорт в какой-либо отрасли, но для его поддержания на постоянном уровне — небольшие.

В теории игр эффект гистерезиса проявляется в том, что небольшие отличия по одному или нескольким параметрам приводят две системы в противоположные стабильные равновесия, например, «хорошее» — доверие, честность и высокое благосостояние; и «плохое» — воровство, недоверие, коррупция и бедность. Несмотря на небольшие первоначальные различия, системы требуют огромных усилий для перехода из одного равновесия в другое.

Математические модели гистерезиса

Свойства

Литература

См. также

Источник

Гистерезис как свойство системы

Для различных физических, химических, экономических и даже социальных явлений свойственен эффект запаздывания реакции. Данное явление возникает в следствии реакции на определенное раздражение, действие или воздействие. Статья даст подробное описание, что такое гистерезис. Опишет самые распространенные его варианты, влияние этого эффекта в электротехнике и электронике.

Определение

Если давать определение простыми словами, то гистерезис как явление — это реакция предмета, поверхности или целой системы на воздействие со стороны некоего раздражителя. Предмет воздействия, как правило, реагирует на раздражитель с запозданием. Также учитывается его актуальное состояние. В результате реакции, предмет может вернуться в свое первоначальное состояние. Обе кривые петли гистерезиса замкнуты и показывают, как ход ответной реакции, так и время замедления.

Петля

Для расчета данного явления, его влияния на определенную систему или предмет используется петля гистерезиса. Она представляет собой график, на который наложена кривая первоначального состояния системы и хода ее ответной реакции на возбуждение.

Эффект гистерезиса может быть различным: иметь как полезные, так и отрицательные свойства. Данное явление учитывается в различных сферах: это может быть физика, экономика и даже социология. В физике гистерезис обязательно учитывается при расчетах различных величин, взаимодействии сил, мощностей и магнитных полей. Самыми распространенными типами гистерезиса являются:

Далее более подробно будет описан каждый тип этого явления.

Упругий

Явление упругого гистерезиса свойственно для различных металлов. Понятным языком это можно объяснить так.

Металлический стержень стоит на опоре одним своим концом. Металл в данный момент находится в спокойном состоянии, при этом обладает собственной деформационной упругостью. На свободный конец стержня приложим определенное давление, например, при помощи пресса. В металле, под воздействием нарастающего давления, начнут проявляться следующие свойства:

Если продолжать увеличивать давление, оно сможет согнуть, сломать или раскрошить стержень. Если прервать процесс воздействия на стержень, это приведет к следующему:

После того как нагрузка будет снята, стержень вернет свои первоначальные характеристики. В зависимости от типа металла, характеристики могут вернуться полностью или частично. Если металл относится к вязкоупругим, его гистерезисная петля будет иметь узкую структуру, по причине неполного возврата металла к первоначальному состоянию

Упругий гистерезис может быть двух видов:

Магнитный

Часто возникающий гистерезис в электротехнике — это магнитный. В этой сфере используются элементы со свойством намагничивания/размагничивания. Различные трансформаторы, катушки индуктивности имеют ферромагнитные сердечники, от материала которых зависит сила магнитного поля элемента. Для изучения влияния различных по свойствам материалов сердечников используются ферромагнитные петли гистерезиса. Также при помощи петли можно изучить нелинейную зависимость внутренних магнитных индукций от внешнего магнитного поля.

При протекании переменного тока через катушку возникает эффект отставания намагничивания. Связано это с тем, что после размыкания цепи (обесточивания), ферромагнитный сердечник не размагничивается полностью, а сохраняет часть намагничивания с ориентацией полюса.

Для изменения полярности сердечника его потребуется перемагнитить заново. Для этого потребуется изменить направленность тока, преодолеть коэрцитивную силу и затратить немного больше энергии. Преодоление коэрцитивной силы и рост энергии приведет к нагреву сердечника. Все эти силы и затраты приводят к эффекту потерь гистерезиса. У подобных ферромагнетиков петля гистерезиса будет более широкой.

Материалы ферромагнетики различают по способности быстрой смены остаточного намагничивания:

Намагничивание сердечников выражается не только в их способности удерживать магнитное поле с определенным полюсом. На такие элементы также влияет направленность вращения полей, которые приводят к сдвигам временных характеристик намагничивания.

Для магнитного гистерезиса также характерно наличие двойной петли. Этот эффект полностью зависит от способности удерживать остаточный магнетизм. Первая наружная петля обозначает максимальный гистерезис, а внутренняя петля является петлей частотного цикла.

Свойства магнитного гистерезиса используются в электротехнике для создания электрических двигателей, коммутационного оборудования, различных магнитных реле.

Сегнетоэлектрический

У диэлектрических материалов нет свободных зарядов. Их электроны привязаны к атомам и неспособны к перемещению. При воздействии на диэлектрик сильного магнитного поля, его заряды поляризуются и изменяют ориентацию на противоположную. Чем выше поле, тем выше вектор поляризации. Он растет нелинейно. У диэлектрика есть порог поляризации, при достижении которого возникает диэлектрический или сегнетоэлектрический гистерезис.

На величину поляризации часто влияет повышение температуры диэлектрика. При достижении определенной температуры (зависит от свойств материала) начинается самопроизвольная и неконтролируемая поляризация, которая не зависит от внешних электрических полей.

Электрический

В электронике используется такое понятие как электрический гистерезис. Для этой сферы данное явление имеет полезное и вредное свойство.

Полезный гистерезис

Гистерезис в электронике используется при создании электронных термостатов. Такие устройства работают по принципу включения или отключения при достижении определенного условия. Например, если разница установлена на 2 градуса, а температурный режим на 20 градусов, то терморегулятор включится при достижении 18 градусов, а отключится когда температура станет 22 градуса. Такой подход помогает значительно снизить расход электрической энергии при постоянной работе обогревателя.

Также этот эффект применяется при работе триггеров. Гистерезис помогает осуществлять точное включение без влияния помех, перепадов напряжения или магнитных полей.

Это явление способно проявляться на биметаллических пластинах. Такие элементы способны терять и восполнять упругость своей структуры при смене температуры. При нагреве материала возникает тепловое расширение, которое изменяет механическое напряжение всей структуры. В результате контакт размыкается. После остывания, структура пластины принимает исходный размер, возвращает первоначальное свое механическое напряжение и замыкает контакт. Такие терморегуляторы часто устанавливаются в нагревательных приборах (печи, утюги, чайники). Момент между нагреванием и остыванием называется температурным зазором. Он устанавливается только в зависимости от способности вещества расширяться и сужаться при определенной температуре.

Погрешность

В электронике гистерезис может и навредить работе некоторых приборов. Такой эффект называется погрешность (ошибка) гистерезиса. Часто такой эффект можно наблюдать у датчика движения. Например, при движении объекта из точки А к точке Б датчик срабатывает в течение 1 секунды. А при движении в обратном направлении с сохранением траектории, датчик включается с замедлением 2 секунды. Причина этого явления кроется в разности выходных сигналов для входных сигналов, которые отличаются величиной при убывании и возрастании. При перемещении из точки А к точке Б величина входящего сигнала имеет разницу 30 МБ от величины того же сигнала при перемещении в обратном направлении. При учете чувствительности датчика 15 МБ/мм, гистерезис составит 3 мм. Разница величины сигнала зависит от изменения температуры воздуха, внешних помех, эффекта трения или дребезга контактов.

Заключение

Гистерезис — это важное физическое явление. Его можно использовать для повышения характеристик различных проводников, ферромагнитных сердечников, конструирования более совершенных электрических элементов. Для электроприводов, трансформаторов и дросселей такой эффект будет вреден. Приходится искать материалы с меньшей зависимостью от сторонних воздействий. В электронике гистерезис только полезен. С его помощью осуществляется автоматический контроль различных процессов.

Видео по теме

Источник

Магнитный гистерезис

Магнитный гистерезис — явление зависимости вектора намагничивания и вектора магнитной индукции в веществе не только от приложенного внешнего поля, но и от истории данного образца. Магнитный гистерезис обычно проявляется в ферромагнетиках — Fe, Co, Ni и сплавах на их основе. Именно магнитным гистерезисом объясняется существование постоянных магнитов.

Теория явления гистерезиса учитывает конкретную магнитную доменную структуру образца и её изменения в ходе намагничивания и перемагничивания. Эти изменения обусловлены смещением доменных границ и ростом одних доменов за счёт других, а также вращением вектора намагниченности в доменах под действием внешнего магнитного поля. При полной ориентации всех доменов в направлении внешнего поля (ферромагнетик становится «однодоменным») достигается состояние насыщения. При выключении внешнего поля происходит некоторое уменьшение намагниченности вследствие теплового движения в кристалле, однако ферромагнетик остается намагниченным, так как при невысоких температурах энергия теплового движения сравнительно невелика и ее недостаточно для полной разориентации доменов.

Эти процессы требуют больших энергетических затрат и являются нелинейными. Кривая размагничивания ферромагнетика не совпадает с кривой намагничивания. Изменение намагниченности ферромагнетика (и индукции поля в нем) запаздывает по отношению к изменению напряженности внешнего поля. Это явление называется гистерезисом. При уменьшении напряженности внешнего поля до нуля, индукция поля в магнетике не равна нулю, ее величина называется остаточной индукцией В_о. Чтобы полностью размагнитить магнетик, надо изменить направление внешнего поля на противоположное, и увеличивать его. При некотором значении напряженности «обратного» поля Н_с, называемом коэрцитивной силой, магнетик полностью размагничивается. Замкнутая кривая, отражающая процесс перемагничивания ферромагнетиков, называется петлей гистерезиса (рис.1).

Рис.1. Петля гистерезиса

На данном графике точки В и С характеризуют состояние насыщения. Величина остаточной индукции характеризуется отрезком B₀.

Коэрцитивная сила определяется точкой пересечения петли гистерезиса с осью напряженности магнитного поля. По величине коэрцитивной силы ферромагнетики разделяются на мягкие и жесткие магнитные материалы.

Жесткие ферромагнетики используются для постоянных магнитов, они имеют большую остаточную намагниченность и широкую петлю гистерезиса.

Мягкие ферромагнетики применяются в приборах и установках, работающих с переменными электромагнитными полями, где требуется частое перемагничивание при минимальных энергетических потерях (например, в сердечниках трансформаторов). Для них характерна небольшая остаточная намагниченность и узкая петля гистерезиса.

Источник

Что такое гистерезис в электротехнике и электронике?

Некоторые физические и другие системы с запаздыванием отвечают на различные воздействия, приложенные к ним. При этом отклик на воздействие во многом зависит от текущего состояния системы и определяется предысторией настоящего состояния. Для описания таких явлений применяется термин – гистерезис, что в переводе с греческого означает отставание.

Что такое гистерезис?

Говоря простым и понятным языком – гистерезис это ответная, запоздалая реакция некой системы на определённый раздражитель (воздействие). При устранении причины, вызвавшей ответную реакцию системы, либо в результате противоположного действия, она полностью или частично возвращается к первоначальному состоянию. Причём для такого явления характерно то, что поведение системы между крайними состояниями не одинаково. То есть: характеристики перехода от первоначального состояния и обратно – сильно отличаются.

Явление гистерезиса наблюдается:

Гистерезис может иметь как полезное, так и пагубное влияние на происходящие процессы. Это отчётливо просматривается в электротехнике и электронике, о чём речь пойдёт ниже.

Динамический гистерезис

Рассмотрим явление запаздывания ответной реакции во времени на примере механической деформации. Предположим у нас есть металлический стержень, обладающий упругой деформацией. Приложим к одному концу стержня силу, направленную в сторону другого конца, который покоится на опоре. Например, поставим стержень под пресс.

По мере возрастания давления, тело будет сжиматься. В зависимости от механических характеристик металла, реакция стержня на приложенную силу (напряжение) будет проявляться по-разному: вначале сила упругости постепенно будет возрастать, потом она резко устремится к пороговому значению. Достигнув порогового значения, сила упругого напряжения уже не сможет противодействовать возрастающему нагружению.

Если увеличивать силу давления, то в стержне произойдут необратимые изменения – он, либо изменит свою форму, либо разрушится. Но мы не будем доводить наш эксперимент до такого состояния. Начнём уменьшать силу давления. Реакция напряжения при этом будет меняться зеркально: вначале резко понизится, потом постепенно будет стремиться к нулю, по мере разгрузки.

Отставание процесса развития деформации во времени, под действием приложенного механического напряжения вследствие упругого гистерезиса описывается динамической петлей (см. рис. 2). Явление обусловлено особенностями перемещений дислокаций микрочастиц вещества.

Различают упругий гистерезис двух видов:

Причиной динамического гистерезиса являются также силы термоупругости и магнитоупругости.

Петля гистерезиса

Кривая, характеризующая ход зависимости ответной реакции системы от приложенного воздействия называется петлёй гистерезиса (показана на рис. 1).

Рис. 1. Петля гистерезиса

Все петли, характеризующие циклический гистерезис, состоят из одной или нескольких замкнутых линий различной формы. Если после завершения цикла система не возвращается в первоначальное состояние, (например, при вязкоупругой деформации), то динамическая петля имеет вид кривой, показанной на рисунке 2.

Рис. 2. Динамическая петля

Анализ гистерезисных петель позволяет очень точно определить поведение системы в результате внешнего воздействия на неё.

Гистерезис в электротехнике

Важными характеристиками сердечников электромагнитов и других электрических машин являются параметры намагничивания ферромагнитных материалов, из которых они изготавливаются. Исследовать эти материалы помогают петли ферромагнетиков. В данном случае прослеживается нелинейная зависимость внутренней магнитной индукции от величины внешних магнитных полей.

На процесс намагничивания (перемагничивания) влияет предыдущее состояние ферромагнетика. Кроме того, кривая намагничивания зависит от типа ферромагнитного образца, из которого состоит сердечник.

Если по катушке с сердечником циркулирует переменный ток, то намагничивания образца приводит к отставанию намагничивания. В результате намагничивания сердечника происходит сдвиг фаз в цепи с индуктивной нагрузкой. Ширина петли гистерезиса при этом зависит от гистерезисных свойств ферромагнетиков, применяемых в сердечнике.

Это объясняется тем, что при изменении полярности тока, ферромагнетик какое-то время сохраняет приобретённую ориентацию полюсов. Для переориентации этих полюсов требуется время и дополнительная энергия, которая израсходуется на нагревание вещества, что приводит к гистерезисным потерям. По величине потерь материалы подразделяются на магнитомягкие и магнитотвёрдые (см. рис. 3).

Рис. 3. Классификация магнитных материалов

Магнитный гистерезис в ферромагнетиках отображает зависимость вектора намагничивания от напряженности электрического поля (см. Рис. 3). Но не только изменение поля по знаку вызывает гистерезис. Вращение поля или (что, то же самое) магнитного образца, также сдвигает временные характеристики намагничивания.

Рис. 4. Петли гистерезиса под действием изменения напряжённости поля

Обратите внимание, что на рисунке изображены двойные петли. Такие петли характерны для магнитного гистерезиса.

В однодоменных ферромагнетиках, которые состоят из очень маленьких частиц, образование доменов не поддерживается (не выгодно с точки зрения энергетических затрат). В таких образцах могут происходить только процессы магнитного вращения.

Рис. 5. Механизм возникновения петли магнитного гистерезиса

В электротехнике гистерезисные свойства используются довольно часто:

Явления диэлектрического гистерезиса

У диэлектриков отсутствуют свободные заряды. Электроны тесно связаны со своими атомами и не могут перемещаться. Другими словами, у диэлектриков спонтанная поляризация. Такие вещества называются сегнетоэлектриками.

Однако под действием электрического поля заряды в диэлектриках поляризуются, то есть изменяют ориентацию в противоположные стороны. С увеличением напряжённости поля абсолютная величина вектора поляризации возрастает по нелинейному принципу. В определённый момент поляризация достигает насыщённости, что вызывает эффект диэлектрического гистерезиса.

На изменение поляризации уходит часть энергии, в виде диэлектрических потерь.

Гистерезис в электронике

При срабатывании различных пороговых элементов, часто применяемых в электронных устройствах, требуется задержка во времени. Например, гистерезис используется в компаратороах или триггерах Шмидта с целью стабилизации работы устройств, которые могут срабатывать в результате помех или случайных всплесков напряжения. Задержка по времени исключает случайные отключения электронных узлов.

На таком принципе работает электронный термостат. При достижении заданного уровня температуры устройство срабатывает. Если бы не было эффекта задерживания, частота срабатываний оказалась бы неоправданно высокой. Изменение температуры на доли градуса приводило бы к отключению термостата.

На практике часто разница в несколько градусов не имеет особого значения. Используя устройства, обладающего тепловым гистерезисом, позволяет оптимизировать процесс поддержания рабочей температуры.

Источник