- Что такое гистерезис?
- Общие понятия гистерезиса
- Вещества и их магнитные свойства
- Определение
- Динамический гистерезис
- Петля гистерезиса
- Упругий
- Магнитный
- Сегнетоэлектрический
- Электрический
- Полезный гистерезис
- Погрешность
- Механизм возникновения петли гистерезиса
- Применение гистерезиса в электротехнике и электронике
- Использование графического изображения гистерезиса для расчётов
- Площадь магнитного гистерезиса
- Гистерезис в электротехнике
- Явления диэлектрического гистерезиса
- Гистерезис в электронике
Что такое гистерезис?
Говоря простым и понятным языком, гистерезис – это отклик, запаздывающая реакция определенной системы на определенный раздражитель (воздействие). При устранении причины, вызвавшей ответную реакцию системы, или в результате обратного действия она полностью или частично возвращается в исходное состояние.
Кроме того, это явление характеризуется тем, что поведение системы между крайними состояниями неодинаково. То есть: свойства перехода из начального состояния и обратно сильно различаются.
Наблюдается явление гистерезиса:
- по физике;
- электротехника и радиоэлектроника;
- биология;
- геология;
- гидрология;
- экономика;
- социология.
Гистерезис может оказывать как благотворное, так и вредное воздействие на протекающие процессы. Это хорошо видно в электротехнике и электронике, о которых речь пойдет ниже.
Общие понятия гистерезиса
Основные определения процесса объясняются в следующих практических примерах. Что такое гистерезис в экономике? При рассмотрении данной сферы деятельности можно изучить типовую организацию экспорта товаров. Чтобы освоить новую территорию, вам необходимо выполнить несколько действий:
- изучить потенциальный интерес к определенным продуктам с помощью маркетинговых исследований;
- искать конкурентные предложения;
- создание дилерской сети (продажи и обслуживание);
- обеспечить первоначальную поставку;
- запустить рекламную кампанию.
На начальном этапе вам придется приложить довольно много усилий. Кроме того, отлаженный торговый механизм обеспечит прибыль в рабочем режиме. На этом этапе менее дорогие функции управления становятся более важными.
Если бизнес необходимо перенести в другой регион, то процесс повторяется таким же образом с некоторой временной задержкой. На графике выше наглядно показано изменение экономических параметров на примере физических величин.
Вещества и их магнитные свойства
Кабель ВВГ – расшифровка и применение
Образцы из разных материалов по-разному реагируют на магнитные поля. Основные отличия определяются магнитной проницаемостью (μ). Это коэффициент (множитель), показывающий разницу величины вектора индукции (В) в этом веществе по сравнению с вакуумом (В0):
- диамагнетики (μ≤1) – медь, вода, водород;
- парамагнетики (μ≥1) – эбонит, кислород, платина;
- ферромагнетики (μ много больше 1) — кобальт, никель, железо.
Последняя группа характеризуется магнетизмом, который сохраняется после устранения внешних воздействий.
К вашему сведению. При нагревании ферромагнетика до определенного уровня (точки Кюри) магнитные свойства исчезают. Для железа это число равно +770°С.
Намагниченность (M) можно определить как разницу между индукциями (B-B0) или выразить через магнитную проницаемость по следующей формуле:
М = мк * В0 — В0 = (мк-1) * В0.
Определение
Если дать определение простыми словами, то гистерезис как явление представляет собой реакцию объекта, поверхности или всей системы на действие какого-либо раздражителя. Объект воздействия обычно реагирует на раздражитель с задержкой.
Также учитывается текущее состояние. В результате реакции предмет может вернуться в исходное состояние. Обе кривые гистерезиса замкнуты и показывают как ход отклика, так и время торможения.
Динамический гистерезис
Рассмотрим явление задержки ответной реакции во времени на примере механической деформации. Предположим, у нас есть металлический стержень с упругой деформацией. Приложим к одному концу стержня силу, направленную к другому концу, упирающемуся в опору. Например, поставим штангу под пресс.
По мере увеличения давления тело будет сокращаться. В зависимости от механических свойств металла реакция стержня на приложенную силу (напряжение) будет проявляться по-разному: сначала сила упругости будет постепенно возрастать, затем она устремится к пороговому значению.
После достижения порогового значения сила упругого натяжения уже не сможет противодействовать возрастающей нагрузке.
Если увеличить силу давления, в стержне произойдут необратимые изменения — он либо изменит форму, либо разрушится. Но мы не будем доводить наш эксперимент до такого состояния. Начнем уменьшать мощность давления. В этом случае характеристика напряжения будет меняться зеркально: сначала резко падать, затем постепенно приближаться к нулю по мере разгрузки.
Задержка развития деформации во времени под действием приложенного механического напряжения за счет упругого гистерезиса описывается динамической петлей (см рис. 2). Явление обусловлено особенностями смещения дислокаций микрочастиц вещества.
Существует два типа упругого гистерезиса:
- Динамические, где напряжения изменяются циклически, а максимальная амплитуда напряжений не достигает пределов упругости.
- Статические, характерные для вязкоупругих или неупругих деформаций. При таких деформациях напряжения полностью или частично исчезают при снятии нагрузки.
причиной динамического гистерезиса являются также силы термоупругости и магнитоупругости.
Петля гистерезиса
Кривая, характеризующая зависимость отклика системы от приложенного воздействия, называется петлей гистерезиса (показана на рис. 1).
Все контуры с циклическим гистерезисом состоят из одной или нескольких замкнутых линий различной формы. Если после завершения цикла система не возвращается в исходное состояние (например, при вязкоупругом деформировании), то динамическая петля имеет вид кривой, показанной на рис. 2.
Анализ петель гистерезиса позволяет очень точно определить поведение системы в результате внешних воздействий на нее.
Упругий
Явление упругого гистерезиса характерно для различных металлов. Обычным текстом это можно объяснить следующим образом.
Металлический стержень одним концом опирается на опору. Металл в данный момент находится в спокойном состоянии, при этом он обладает собственной деформационной упругостью. Прикладываем некоторое давление к свободному концу стержня, например с помощью пресса. В металле под действием возрастающего давления начнут проявляться следующие свойства:
- Первичное увеличение силы упругости.
- Скачок значения эластичности до максимальных значений.
- Снижение силы реакции в результате превышения максимальных свойств упругости.
Продолжая увеличивать давление, можно погнуть, сломать или разрушить шток. Прерывание процесса воздействия на планку приведет к следующему:
- К скачку динамического напряжения на штоке в сторону уменьшения давления.
- Общее снижение нагрузки.
После снятия нагрузки стержень вернется к своим первоначальным свойствам. В зависимости от типа металла свойства могут вернуться полностью или частично. Если металл вязкоупругий, его петля гистерезиса будет иметь узкую структуру из-за неполного возврата металла в исходное состояние
Упругий гистерезис может быть двух типов:
- Статический тип. Свойственная вязкоупругой или неупругой деформации. Такая деформация не способна восстановить параметры упругости и напряжения при полном или частичном снятии нагрузок. Например, брусок изгибается под нагрузкой и не может восстановить свое состояние после окончания удара.
- Динамический тип. При таком гистерезисе нагрузка на систему не способна достичь предела своей упругой характеристики даже при циклическом воздействии. Причины этого вида гистерезиса могут быть разными, например, это могут быть силы магнитной или термоупругости.
- Упругий гистерезис сильно зависит от состава исходного вещества и способности микрочастиц изменять свою дислокацию при изменении давления или деформации.
Магнитный
Гистерезис, который часто встречается в электротехнике, является магнитным. В этой области используются элементы со свойством намагничивания/размагничивания. Различные трансформаторы, катушки индуктивности имеют ферромагнитные сердечники, материал которых определяет напряженность магнитного поля элемента.
Петли ферромагнитного гистерезиса используются для изучения влияния материалов сердечника с различными свойствами. С помощью петли также можно изучать нелинейную зависимость внутренних магнитных индукций от внешнего магнитного поля.
Когда через катушку протекает переменный ток, возникает намагничивающий эффект. Это связано с тем, что после размыкания цепи (отключения питания) ферромагнитный сердечник не размагничивается полностью, а сохраняет часть намагниченности с ориентацией полюса.
Чтобы изменить полярность сердечника, его необходимо перемагнитить. Для этого нужно изменить направление тока, преодолеть коэрцитивную силу и использовать немного больше энергии.
Преодоление коэрцитивной силы и увеличение энергии приведет к нагреву активной зоны. Все эти силы и затраты приводят к эффекту потери гистерезиса. Для таких ферромагнетиков петля гистерезиса будет шире.
Ферромагнитные материалы характеризуются способностью быстро изменять остаточную намагниченность:
- Мягкий магнит. Такие сердечники можно найти в трансформаторе, катушке индуктивности. У них более узкая петля гистерезиса.
- Магнитно-жесткий. Используется для элементов памяти или магнитов. Для них характерна широкая петля на графене, большие потери на гистерезис и нагрев при перемагничивании.
Намагниченность ядер выражается не только в их способности удерживать магнитное поле с определенным полюсом. На такие элементы влияет и направление вращения полей, что приводит к изменению временных характеристик намагниченности.
Магнитный гистерезис также характеризуется наличием двойной петли. Этот эффект полностью зависит от способности сохранять остаточный магнетизм. Первая внешняя петля указывает максимальный гистерезис, а внутренняя петля представляет собой петлю цикла частоты.
Свойства магнитного гистерезиса используются в электротехнике для изготовления электродвигателей, распределительных устройств и различных магнитных реле.
Читайте также: Система отопления ПЛЭН: инфракрасный пленочный обогрев
Сегнетоэлектрический
Диэлектрические материалы не имеют свободных зарядов. Их электроны связаны с атомами и не могут двигаться. Когда диэлектрик подвергается воздействию сильного магнитного поля, заряды поляризуются и меняют свою ориентацию на противоположную. Чем выше поле, тем выше вектор поляризации.
Он растет нелинейно. Диэлектрик имеет порог поляризации, при достижении которого возникает диэлектрический или сегнетоэлектрический гистерезис.
На величину поляризации часто влияет повышение температуры диэлектрика. При достижении определенной температуры (в зависимости от свойств материала) начинается самопроизвольная и неконтролируемая поляризация, не зависящая от внешних электрических полей.
Электрический
В электронике используется что-то вроде электрического гистерезиса. Для этой области это явление имеет полезное и вредное качество.
Полезный гистерезис
Гистерезис в электронике используется для изготовления электронных термостатов. Такие устройства работают по принципу включения или выключения при достижении определенного состояния.
Например, если установить разницу в 2 градуса, а температурный режим установить на 20 градусов, то термостат будет включаться при достижении 18 градусов, и выключаться при достижении температуры 22 градусов. Такой подход позволяет значительно снизить потребление электрической энергии при постоянной работе нагревателя.
Этот эффект также используется при запуске работы. Гистерезис помогает добиться точного переключения без влияния шума, колебаний напряжения или магнитных полей.
Это явление может проявляться на биметаллических пластинах. Такие элементы способны терять и восполнять эластичность своей структуры при изменении температуры. При нагревании материала происходит тепловое расширение, которое изменяет механическое напряжение всей конструкции. В результате контакт размыкается.
После охлаждения структура пластины принимает свой первоначальный размер, возвращает исходное механическое напряжение и замыкает контакт. Такие термостаты часто устанавливают в отопительных приборах (духовки, утюги, чайники).
Момент между нагревом и охлаждением называется температурным разрывом. Он устанавливается только в зависимости от способности вещества расширяться и сжиматься при определенной температуре.
Погрешность
В электронике гистерезис также может повредить работе некоторых устройств. Этот эффект называется ошибкой гистерезиса. Часто этот эффект можно наблюдать с датчиком движения. Например, когда объект перемещается из точки А в точку Б, датчик срабатывает в течение 1 секунды.
А при движении в обратном направлении с сохранением пути датчик включается с задержкой в 2 секунды. Причина этого явления кроется в различии выходных сигналов для входных сигналов, которые изменяются по величине при их уменьшении и увеличении.
При движении из точки А в точку Б значение входящего сигнала имеет отличие в 30 МБ от значения того же сигнала при движении в обратном направлении. При учете чувствительности сенсора 15 МБ/мм гистерезис составит 3 мм. Разница в силе сигнала зависит от изменения температуры воздуха, внешних помех, эффекта трения или дребезга контактов.
Механизм возникновения петли гистерезиса
Статор — концепция и принцип работы
Для детального изучения этого процесса необходимо проанализировать отдельные участки кривой, свидетельствующие об изменении индукции. Описание основных этапов:
- во-первых, происходит смещение границ между соседними доменами;
- затем ориентация моментов быстро меняется в направлении силовых линий внешнего поля;
- на этом этапе новое расположение границ становится необратимым;
- этот участок характеризуется разрастанием отдельных доменов до максимальных размеров, магнитные моменты располагаются в точном соответствии с линиями действующего поля;
- последняя часть показывает отсутствие влияния на магнитные моменты напряжения, создаваемого соленоидом.
При уменьшении мощностных параметров внешнего поля образуется петля гистерезиса, которую видно на первом изображении (в направлении стрелок). Обратите внимание, что кривые разные. Задержка индукции соответствует основным принципам явления.
При нулевом напряжении B≠0. Эта величина называется остаточной индуктивностью. Эта особенность объясняет понятный процесс изготовления постоянного магнита. Сердечник сохраняет должные свойства даже после отключения питания.
Намагниченность можно снять, подняв температуру до уровня точки Кюри конкретного материала. Аналогичный результат получается при приложении соответствующего внешнего силового поля (-Hc). Это напряжение создает коэрцитивную силу, достаточную для размагничивания сердечника из стали или другого ферромагнетика. Полный цикл называется петлей магнитного гистерезиса.
Применение гистерезиса в электротехнике и электронике
При изготовлении двигателей и трансформаторов необходимо учитывать намагниченность материалов и особенности переходных процессов. При использовании данного оборудования в цепях переменного тока часть потребляемой электроэнергии необходимо использовать для перемагничивания установленного сердечника.
Аналогичные явления наблюдаются при работе коммутационных аппаратов. Изучение гистерезиса позволяет повысить КПД силовых машин и преобразователей напряжения, обеспечить требуемую скорость переключения реле.
На рисунке показана передаточная характеристика триггера Шмидта. Изменение выходного сигнала с определенной задержкой используется для устранения ошибок при передаче информации. Обычный преобразователь реагирует на импульсные помехи немедленным переключением.
В этом случае временная задержка выполняет полезные фильтрующие функции. Он помогает правильно воспринимать сигналы руля в сложных условиях эксплуатации.
Такие решения используются в электронике для устранения проблем с дребезгом контактов. Рассчитанную задержку рабочих реакций можно объяснить с помощью типичного терморегулятора. Если такое устройство построено без гистерезиса, переключения будут слишком частыми.
Но в реальных условиях (отопление помещений) достаточно точности ±3°С. Увеличивая ширину петли, можно установить оптимальный диапазон для поддержания заданной температуры.
Использование графического изображения гистерезиса для расчётов
Для наглядного эксперимента можно собрать простую схему, представленную ниже:
- резистор R1 ограничивает переменный ток, проходящий через обмотку катушки;
- с элемента R2 снимается напряжение для формирования изображения на экране осциллографа;
- емкость конденсатора подобрана так, чтобы 1/(w*C) было много меньше R3.
Эксперимент
После подключения к осциллографу на экране можно наблюдать петлю гистерезиса. Это изображение в реальном масштабе можно использовать для расчета и оценки свойств созданной катушки. В следующем списке показано соответствие между отдельными сегментами и параметрами, рассмотренными выше:
- ОА – коэрцитивная сила;
- ОС — остаточная индукция;
- ОД — индукция насыщения;
- OB – магнитное поле.
К вашему сведению. Потери можно определить по заданному участку петли. Размер этой области соответствует работе, проделанной для компенсации коэрцитивных сил. Эта энергия нагревает ферромагнетик и эффективно расходуется.
Площадь магнитного гистерезиса
Материалы с магнитными свойствами делятся на две группы по ширине петли гистерезиса. Магнитомягкие (узкий график) отличаются сравнительно небольшой коэрцитивной силой и соответственно меньшими энергозатратами. Такие изделия используются для производства электродвигателей, приводов, трансформаторов напряжения.
Магнитотвердые материалы характеризуются повышенным временем отклика на воздействие внешнего поля. Эти материалы используются для изготовления микросхем памяти, постоянных магнитов.
Гистерезис в электротехнике
Важными свойствами сердечников электромагнитов и других электрических машин являются параметры намагничивания ферромагнитных материалов, из которых они изготовлены. Петли ферромагнетиков помогают изучать эти материалы. При этом 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 изготовлен сердечник.
Если через катушку сердечника циркулирует переменный ток, намагничивание образца приводит к отставанию намагниченности. В результате намагничивания сердечника в цепи с индуктивной нагрузкой возникает фазовый сдвиг. Ширина петли гистерезиса в этом случае зависит от гистерезисных свойств используемых в сердечнике ферромагнетиков.
Это объясняется тем, что при изменении полярности тока ферромагнетик некоторое время сохраняет приобретенную ориентацию полюсов. Переориентация этих полюсов требует времени и дополнительной энергии, которая затрачивается на нагрев материала, что приводит к гистерезисным потерям. По величине потерь материалы делятся на магнитомягкие и магнитотвердые (см рис. 3).
Магнитный гистерезис в ферромагнетиках отражает зависимость вектора намагниченности от напряженности электрического поля (см рис. 3). Но не только изменение знака поля вызывает гистерезис. Вращение поля или (что то же самое) магнитного образца также сдвигает временные характеристики намагниченности.
Обратите внимание, что на рисунке показаны двойные петли. Такие петли характерны для магнитного гистерезиса.
В однодоменных ферромагнетиках, состоящих из очень мелких частиц, образование доменов не поддерживается (не выгодно с точки зрения энергетических затрат). В таких образцах могут происходить только процессы магнитного вращения.
В электротехнике довольно часто используются гистерезисные свойства:
- в работе электромагнитных реле;
- в конструкции распределительных устройств;
- при изготовлении электродвигателей и других силовых механизмов.
Явления диэлектрического гистерезиса
Диэлектрики не имеют бесплатных затрат. Электроны прочно связаны со своими атомами и не могут двигаться. Другими словами, диэлектрические вещества обладают спонтанной поляризацией. Такие вещества называются сегнетоэлектрическими веществами.
Однако под действием электрического поля заряды в диэлектрике поляризуются, то есть меняют ориентацию в противоположных направлениях. С увеличением напряженности поля абсолютная величина вектора поляризации увеличивается по нелинейному принципу. В определенный момент поляризация достигает насыщения, вызывая эффект диэлектрического гистерезиса.
Гистерезис в электронике
При срабатывании различных пороговых элементов, часто используемых в электронных устройствах, требуется временная задержка. Например, гистерезис используется в компараторах или триггерах Шмидта для стабилизации работы устройств, которые могут выйти из строя в результате шума или случайных скачков напряжения.
Временная задержка исключает случайные отключения электронных компонентов.
По этому принципу работает электронный термостат. При достижении заданного уровня температуры устройство срабатывает. Если бы не было эффекта задержки, скорость работы была бы неоправданно высокой. Изменение температуры на доли градуса приведет к отключению термостата.
На практике разница в несколько градусов часто не имеет большого значения. Используя устройство с тепловым гистерезисом, можно оптимизировать процесс поддержания рабочей температуры.