Гистерезис — справочник студента

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).

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!

Оценим за полчаса!

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:

  • в физике;
  • электротехнике и
    радиоэлектронике;
  • биологии;
  • геологии;
  • гидрологии;
  • экономике;
  • социологии.

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.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!
Читайте также:  Диэлектрики - справочник студента

Оценим за полчаса!

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:

  1. Динамический, при котором напряжения изменяются циклически, а максимальная амплитуда напряжений не достигает пределов упругости.
  2. Статический, характерный для вязкоупругих или неупругих деформаций. При таких деформациях полностью, либо частично исчезают напряжения при снятии нагрузки.

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).

Гистерезис - Справочник студентаРис. 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.

Гистерезис - Справочник студентаРис. 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).

Гистерезис - Справочник студентаРис. 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.

Гистерезис - Справочник студентаРис. 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.

Гистерезис - Справочник студентаРис. 5. Механизм возникновения петли магнитного гистерезиса

В электротехнике гистерезисные свойства используются довольно часто:

  • в работе электромагнитных реле;
  • в конструкциях коммутационных приборов;
  • при создании электромоторов и других силовых механизмов.

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: https://www.asutpp.ru/gisterezis.html

Гистерезис для инженеров. Петля гистерезиса. Прерванные процессы на петле гистерезиса. Смена направления процесса

Гистерезис для инженеров. Петля гистерезиса. Прерванные процессы на петле гистерезиса. Смена направления процесса.

Гистерезис по определению, это свойство систем, которые не сразу следуют приложенным силам. Реакция этих систем зависит от сил, действовавших ранее, то есть системы зависят от собственной истории.

Гистерезис - Справочник студента Рисунок 1. Классическая петля гистерезиса. По пунктам:

  • казалось бы, что любая выявленная на широком интервале, аналитическая зависимость физических величин вида Y=f(X) при премещении из точки 0(условный ноль, для удобства) в точку 1 является хорошим описанием процесса
  • но, на самом деле, некоторые процессы всегда в одну сторону идут по одной кривой, а в другую по другой ( сходясь в конечных точках) — напоминает ежедневный путь на работу и обратно верно?
  • эти явления и получили название явлений «классического гистерезиса», к основным из которых относят:
    • магнитный гистерезис
    • сегнетоэлектрический гистерезис
    • упругий гистерезис
    • многие другие
  • мы же рассмотрим и явления классического гистерезиса и огромный класс явлений, которые, на первый взгляд, являются явлениями гистерезиса, но показывают совершенно самостоятельное поведение, назовем их «инженерный гистерезис»
  • подробные описания явлений классического гистерезиса широко доступны и не являются предметом рассмотрения

Что такое «инженерный гистерезис»? В отличие от классического гистерезиса «инженерный гистерезис» обусловлен не остаточными явлениями в системе при смене направления процесса, а резким изменением свойств системы в точках начала и конца процесса (например, при срабатывании автоматики, меняющем коммутацию/геометрию/логику и др. внутри системы).

Проиллюстрируем разницу. Рисунки 2 и 3 показывают полные кривые гистерезиса для классического и инженерного гистерезисов. При движении из точки 0 в точку 1 при отличий нет. Но!

Рассмотрим вопрос о том, как ведет себя система, обладающая гистерезисом по каким-то свойствам (характеристикам) в том случае, если процесс перемещения из точки начала процесса в точку конца будет прерван где-то посередине.

Гистерезис - Справочник студента Гистерезис - Справочник студента
Рисунок 2. Классический гистерезис. Смена направления процесса. Рисунок 3. «Инженерный гистерезис». Смена направления процесса.

Обратите внимание! В классическом гистерезисе смена направления процесса образует новую петлю гистерезиса. В «инженерном гистерезисе» при недостижении крайних точек процесса ничего подобного не происходит. К чему это приведет?

Гистерезис - Справочник студента Рисунок 4. Прерваный процесс на петле «инженерного гистерезиса».
  • Контрольный параметр Y для работы автоматики зависит от рабочего параметра Р, и на первый вид эта зависимость — гистерезис, хоть это и не так на самом деле
  • В зависимости от того, на каком из участков процесса находится рабочая точка сейчас эта зависимость носит различный характер
  • При аварии или обрыве питания, в зависимости от настроек работы системы «по умолчанию» для промежуточных точек между уровнями включения и выключения автоматики повторный запуск наверняка приведет к нештатным относительно контрольного параметра значениям рабочего параметра
  • Требуется определенное внимание инженера при перезапуске процесса к тому на каком из этапов процесса произошел сбой
  • Иногда требуются специальные решения для защиты логики системы от неверной интерпретации состояния системы
  • Проблема особенно характерна для систем с дискретным (релейным) регулированием, но не только для них
  • Данный процесс, строго говоря, вообще гистерезисом не является и употребление термина может вызывать недопонимание при общении с другими инженерами и, особенно, с инженерами-учеными
  • другое прочее
Читайте также:  Модернизация традиционной системы обучения - справочник студента

Источник: https://tehtab.ru/Guide/GuideTricks/TAU/HysteresisOverview/

Гистерезис

Так как сегнетоэлектрик обладает доменной структурой, дипольный момент кристалла сегнетоэлектрика в отсутствии диэлектрика равен нулю, вследствие взаимной компенсации дипольных моментов отдельных доменов. В целом, получается, что домен не поляризован.

При наложении поля происходит частичное изменение ориентации доменов и увеличение одних доменов, уменьшение других. Это приводит к возникновению в кристалле поляризации ($overrightarrow{P}$). Зависимость поляризации от напряженности поля представляет рис.1.

Гистерезис - Справочник студента

Рис. 1

Сначала рост поляризации идет вдоль кривой ОА. В точке $А$ векторы поляризации всех доменов оказываются ориентированными параллельно полю $overrightarrow{E}$.

Начиная с этой точки рост поляризации идет за счет индуцированной поляризации $overrightarrow{P_i}sim overrightarrow{E}$, линия ОА переходит в участок AD (прямолинейный).

При продолжении этого участка до пересечения с осью ординат, он отсечет на ней отрезок, его длина равна спонтанной поляризации $P_S$.

При уменьшении напряженности электрического поля, уменьшение поляризации пойдет не по той же кривой в обратную сторону, а по новой кривой $DAB'A'D'$, которая расположена выше. Это и есть диэлектрический гистерезис сегнетоэлектрика.

Процесс изменение ориентации и увеличение доменов в электрическом поле задерживается. Получается, что $overrightarrow{P}$ не однозначно определен полем $overrightarrow{E}$, а зависит от «истории» сегнетоэлектрика.

Если изменять поле в обратном порядке, то зависимость поляризации от напряженности будет изображена нижней кривой $D'A'BAD$, симметричной с кривой $D'A'B'AD$ относительно начала координат О.

Так, получается замкнутая кривая $AB'A'BA$, которая носит название диэлектрической петли гистерезиса. Аналогично можно получить петли для электрической индукции. Если по оси ординат откладывать электрическое смещение ($overrightarrow{D}$):

[overrightarrow{D}={varepsilon }_0overrightarrow{E}+overrightarrow{P}left(1
ight). ]

Петля гистерезиса для индукции отличается только масштабом от кривых $P=P(E)$, так как в сегнетоэлектриках $Ell D$, то первым слагаемым в (1) можно пренебречь.

Стрелки на кривой (рис.1) показывают направление движения точки по кривой при изменении напряженности поля. Отрезок ОС характеризует остаточную поляризованность, то есть ту, которую образец сегнетоэлектрика имеет тогда, когда напряженность поля обратилась в ноль.

Отрезок $OB'$ характеризует напряженность, имеющую противоположное поляризованности направление, при котором данный сегнетоэлектрик полностью теряет свою поляризацию. Чем больше величина отрезка ОС, тем значительнее остаточная поляризация сегнетоэлектрика.

Чем больше размер $OB'$, тем лучше остаточная поляризация удерживается сегнетоэлектриком.

Петля гистерезиса

Петлю гистерезиса легко получить на экране осциллографа. С этой целью соединяют последовательно два конденсатора, пространство между обкладками одного из них заполнено сегнетоэлектриком (его емкость назовем $C_s$). Для питания используют переменный ток от генератора. Так как конденсаторы соединены последовательно, то заряды на их обкладках равны и одинаковы индукции:

[D_0=D left(2
ight),]

где $D_0$ — индукция поля в конденсаторе с обычным диэлектриком, $D$ — индукция поля в конденсаторе с сегнетоэлектриком.

Так как для обычного конденсатора диэлектрическая проницаемость постоянна, то напряжение на обычном конденсаторе пропорционально индукции.

Если подать на горизонтально отклоняющие пластины осциллографа напряжение с конденсатора с сегнетоэлектриком, а на вертикально отклоняющие пластины — с обычного конденсатора, то на экране осциллографа будет воспроизведена петля гистерезиса.

Гистерезис - Справочник студента

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Пример 1

  • Задание: Объясните, почему говорят, что явление гистерезиса позволяет иллюстрировать роль доменов в поляризации сегнетоэлектрика?
  • Решение:
  • Существование доменов в сегнетоэлектрике обуславливает его нелинейные свойства. В первую очередь это нелинейная зависимость поляризации ($overrightarrow{P}$) от напряженности внешнего поля ($overrightarrow{E}$):

[overrightarrow{P}={varkappa left(overrightarrow{E}
ight)varepsilon }_0overrightarrow{E}left(1.1
ight),]

где $varkappa left(overrightarrow{E}
ight)$ — диэлектрическая восприимчивость зависит от напряженности внешнего поля. Именно нелинейная зависимость поляризации от внешнего поля приводит в электрических полях к гистерезису.

Рассмотрим подробнее рис. 1. В небольших полях (отрезок $OA_1$) поляризация еще линейно зависит от напряженности, домены к поляризации еще не подключились. На участке $A_1A$ идет интенсивный рост поляризации при увеличении напряженности поля, что связано с нелинейным процессом переориентации доменов вдоль направления внешнего поля. В точке А все домены ориентированы по полю.

Дальнейшее возрастание поляризации при росте напряженности внешнего поля идет линейно и оно не связано с доменной структурой. Оно идет за счет индуцированной полем поляризации. Уменьшение напряженности поля начиная от точки А повторяет в обратном порядке процесс первичной поляризации.

Наличие остаточной поляризации говорит о том, что сегнетоэлектрик пытается сохранить ориентацию доменов в одном направлении. Приложение поля с обратным направлением ведет к уменьшению поляризации сегнетоэлектрика вплоть до нуля.

При дальнейшем повышении напряженности обратного поля происходит переполяризация доменов (изменение знака) и в дальнейшем насыщению (участок $A'D'$), то есть ориентации всех доменов по полю, но в противоположном с участком AD направлении.

Пример 2

Задание: Объясните, почему явление гистерезиса можно наблюдать в ходе опыта, который проводят, используя схему с осциллографом, которая представлена на рис.2. Между обкладками одного плоского конденсатора сегнетоэлектрик, его емкость $C_S$.

Пространство между обкладками второго конденсатора (С) заполнено обычным диэлектриком. Питается схема от генератора, который создает гармонически изменяющуюся разность потенциалов на обкладках конденсаторов.

Площади обкладок конденсаторов равны, расстояния между обкладками конденсаторов, также равны.

Гистерезис - Справочник студента

Рис. 2

Решение:

Разность потенциалов распределяется между конденсатором, который содержит сегнетоэлектрик ($С_S$) и воздушным конденсатором $C$. Площади обкладок конденсаторов равны, расстояния между обкладками равно $d$. В таком случае напряженности полей в конденсаторах равны:

[E=frac{sigma }{{varepsilon }_1{varepsilon }_0}left(2.1
ight) и] [E_S=frac{{sigma }_S}{{{varepsilon }_Svarepsilon }_0}left(2.2
ight),]

  1. где $sigma , {sigma }_S$- поверхностные плотности распределения зарядов на обкладках конденсаторов, ${varepsilon }_1$- диэлектрическая проницаемость обычного диэлектрика, ${varepsilon }_S$ — диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика.
  2. Мы знаем, что у последовательно соединенных конденсаторов заряды на обкладках будут равны, а так как у этих конденсаторов одинаковы их геометрические параметры, то можно записать, что:
  3. Следовательно, разности потенциалов между обкладками:
  4. Найдем отношение $frac{U_S}{U}$, получим:
  5. Если напряжение U подать на горизонтальную развертку осциллографа, а $U_S$ — на вертикальную, то можно записать, что:

[sigma = {sigma }_Sleft(2.3
ight).] [U=Ed=frac{sigma d}{{{varepsilon }_1varepsilon }_0}left(2.4
ight) и ] [U_S=E_Sd=frac{sigma d}{{varepsilon }_S{varepsilon }_0}left(2.5
ight).] [frac{U_S}{U}=frac{уd}{varepsilon_S varepsilon_0}:frac{уd}{{varepsilon_1 varepsilon}_0}=frac{varepsilon_1}{varepsilon_S} left(2.6
ight).] [tgvarphi =frac{U_S}{U}=frac{{varepsilon }_1{varepsilon }_0E}{{varepsilon }_S{varepsilon }_0E}left(2.7
ight).] Гистерезис - Справочник студента

Рис. 3

Таким образом, при изменении напряженности $(E)$, на экране осциллографа будет прочерчена кривая, абсцисса точек которой в определенном масштабе ${varepsilon }_SE$, а ордината ${varepsilon }_0{varepsilon }_1E=D$ в том же масштабе. Получается, что на экране осциллографа вычерчивается кривая гистерезиса.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/elektrostatika/gisterezis/

Магнитный гистерезис: описание явления, гистерезисная петля

В данной статье мы рассмотрим явление под названием магнитный гистерезис, которое связано со свойствами намагничивания материала, благодаря которому он сначала намагничивается, а затем размагничивается. Рассмотрим кривые намагничивания, сохраняемость, а так же магнитную петлю гистерезиса.

Описание явления магнитного гистерезиса

Мы знаем, что магнитный поток, создаваемый электромагнитной катушкой, представляет собой величину магнитного поля или силовых линий, создаваемых в данной области, и что его чаще называют «плотностью потока», обозначенным символ B с единицей измерения Тесла, Т.

Мы также знаем из предыдущих уроков, что магнитная сила электромагнита зависит от числа витков катушки, тока, протекающего через катушку, или от типа используемого материала сердечника, и если мы увеличим либо ток, либо число оказывается, мы можем увеличить напряженность магнитного поля H.

Ранее относительная проницаемость, символ µ r, определялась как отношение абсолютной проницаемости µ и проницаемости свободного пространства µ o(вакуум), и это задавалось как постоянная величина.

 Однако взаимосвязь между плотностью потока B и напряженностью магнитного поля H может быть определена тем фактом, что относительная проницаемость µ r не является постоянной величиной, а функцией интенсивности магнитного поля, что дает плотность магнитного потока как:   B = M H .

Тогда плотность магнитного потока в материале будет увеличена в большей степени в результате его относительной проницаемости для материала по сравнению с плотностью магнитного потока в вакууме, µ o H, а для катушки с воздушной сердцевиной это соотношение определяется как:

Гистерезис - Справочник студента

Таким образом, для ферромагнитных материалов отношение плотности потока к напряженности поля ( B / H ) не является постоянным, а изменяется в зависимости от плотности потока.

 Тем не менее, для катушек с воздушной сердцевиной или любой сердцевины с немагнитной средой, такой как дерево или пластмасса, это отношение можно считать постоянной величиной, и эта постоянная известна как μ o , проницаемость свободного пространства ( μ o = 4.π.10 -7  ч / м ).

Построив значения плотности потока ( B ) против напряженности поля, ( Н ) мы можем произвести набор кривых , называемых Кривые намагничиваниякривые магнитного гистерезиса или более обычно BH кривые для каждого типа основного используемого материала.

Намагниченность или кривая B-H

Гистерезис - Справочник студента

Набор кривых намагничивания выше, представляет пример взаимосвязи между B и H для сердечников из мягкого железа и стали, но каждый тип материала сердечника будет иметь свой собственный набор кривых магнитного гистерезиса. Вы можете заметить, что плотность потока увеличивается пропорционально напряженности поля до тех пор, пока она не достигнет определенного значения, если оно больше не может становиться почти равным и постоянным, поскольку напряженность поля продолжает увеличиваться.

Это связано с тем, что существует ограничение на количество плотности потока, которое может генерироваться ядром, поскольку все домены в железе идеально выровнены.

 Любое дальнейшее увеличение не будет влиять на значение M , и точка на графике, где плотность потока достигает своего предела, называется магнитным насыщением, также известным как насыщение сердечника, и в нашем простом примере выше точки насыщения стальной кривой начинается примерно с 3000 ампер-витков на метр.

Насыщение происходит потому, что, как мы помним из предыдущей статьи по магнетизму, который включал теорию Вебера, случайное расположение структуры молекулы в материале ядра изменяется, когда крошечные молекулярные магниты в материале становятся «выстроенными».

По мере увеличения напряженности магнитного поля ( H ) эти молекулярные магниты становятся все более и более выровненными, пока они не достигнут идеального выравнивания, создавая максимальную плотность потока, и любое увеличение напряженности магнитного поля из-за увеличения электрического тока, протекающего через катушку, будет иметь мало или вообще не будет иметь эффекта.

Сохраняемость (способность сохранять остаточный магнетизм)

Предположим, что у нас есть электромагнитная катушка с высокой напряженностью поля из-за тока, протекающего через нее, и что материал ферромагнитного сердечника достиг своей точки насыщения, максимальной плотности потока. Если мы теперь откроем переключатель и удалим ток намагничивания, протекающий через катушку, мы ожидаем, что магнитное поле вокруг катушки исчезнет, ​​когда магнитный поток уменьшится до нуля.

Однако магнитный поток не исчезает полностью, поскольку материал электромагнитного сердечника все еще сохраняет часть своего магнетизма, даже когда ток прекращает течь в катушке.

Эта способность к катушке, чтобы сохранить часть своего магнетизма внутри сердечника после процесса намагничивания остановилось называются сохраняемость или остаточной намагниченности, в то время как величина плотности потока все еще остается в ядре, называется остаточным магнетизмом B R  .

Причиной этого является то, что некоторые из крошечных молекулярных магнитов не возвращаются к совершенно случайному образцу и все же указывают в направлении исходного поля намагничивания, давая им своего рода «память». Некоторые ферромагнитные материалы обладают высокой удельной удерживаемостью (магнитной твердостью), что делает их превосходными для изготовления постоянных магнитов.

В то время как другие ферромагнитные материалы имеют низкую способность удерживать (магнитно-мягкие), что делает их идеальными для использования в электромагнитах, соленоидах или реле.

Один из способов уменьшить эту остаточную плотность потока до нуля — изменить направление тока, протекающего через катушку, путем изменения значения H, напряженности магнитного поля, отрицательной.

Этот эффект называется коэрцитивной силой H C .

Если этот обратный ток увеличивается еще больше, то плотность потока будет также увеличиваться в обратном направлении, пока ферромагнитный сердечник не достигнет насыщения снова, но в обратном направлении от предыдущего. Снижая ток намагничивания I снова до нуля создаст аналогичную величину остаточного магнетизма, но в обратном направлении.

Затем путем постоянного изменения направления тока намагничивания через катушку с положительного направления на отрицательное направление, как в случае с источником переменного тока, можно создать петлю магнитного гистерезиса ферромагнитного сердечника.

Магнитная петля гистерезиса

Гистерезис - Справочник студента

Магнитная петля гистерезиса выше, показывает поведение ферромагнитного сердечника графически в виде соотношения между B и H является нелинейным. Начиная с немагнитного сердечника, и B, и H будут в нуле, точка 0 на кривой намагничивания.

Если ток намагничивания I увеличивается в положительном направлении до некоторого значения, напряженность магнитного поля H линейно увеличивается с I,и плотность потока B также будет увеличиваться, как показано кривой из точки 0 в точку a, когда она движется к насыщению.

Теперь, если ток намагничивания в катушке уменьшается до нуля, магнитное поле, циркулирующее вокруг сердечника, также уменьшается до нуля. Однако магнитный поток катушек не достигнет нуля из-за остаточного магнетизма, присутствующего в сердечнике, и это показано на кривой от точки а к точке b .

Чтобы уменьшить плотность потока в точке b до нуля, необходимо обратить ток, протекающий через катушку. Сила намагничивания, которая должна применяться для обнуления остаточной плотности потока, называется «Коэрцитивной силой». Эта коэрцитивная сила меняет магнитное поле, перестраивая молекулярные магниты, пока ядро ​​не станет немагнитным в точке с .

Увеличение этого обратного тока вызывает намагничивание сердечника в противоположном направлении, и дальнейшее увеличение этого тока намагничивания приведет к тому, что сердечник достигнет своей точки насыщения, но в противоположном направлении, точки d на кривой.

Эта точка симметрична точке b . Если ток намагничивания снова уменьшится до нуля, остаточный намагниченность, присутствующая в сердечнике, будет равна предыдущему значению, но в точке е будет обратной .

Снова изменение направления тока намагничивания, протекающего через катушку на этот раз в положительном направлении, приведет к тому, что магнитный поток достигнет нуля, точка f на кривой, и, как и прежде, дальнейшее увеличение тока намагничивания в положительном направлении приведет к насыщению сердечника в точке а .

Затем кривая B-H следует по пути a-b-c-d-e-f-a, когда ток намагничивания, протекающий через катушку, чередуется между положительным и отрицательным значением, таким как цикл переменного напряжения. Этот путь называется магнитной петлей гистерезиса.

Эффект магнитного гистерезиса показывает, что процесс намагничивания ферромагнитного сердечника и, следовательно, плотность потока зависят от того, на какую часть кривой намагничивается ферромагнитный сердечник, поскольку это зависит от прошлых цепей, придающих сердечнику форму «памяти». Тогда ферромагнитные материалы имеют память, потому что они остаются намагниченными после того, как внешнее магнитное поле было удалено.

Читайте также:  Свойства функции распределения, график - справочник студента

Однако мягкие ферромагнитные материалы, такие как железная или кремниевая сталь, имеют очень узкие петли магнитного гистерезиса, что приводит к очень небольшим количествам остаточного магнетизма, что делает их идеальными для использования в реле, соленоидах и трансформаторах, поскольку они могут легко намагничиваться и размагничиваться.

Поскольку для преодоления этого остаточного магнетизма необходимо применять коэрцитивную силу, необходимо выполнить работу по замыканию петли гистерезиса, чтобы используемая энергия рассеивалась в виде тепла в магнитном материале. Это тепло известно как потеря гистерезиса, величина потери зависит от значения материала коэрцитивной силы.

Добавляя добавки к металлическому железу, такие как кремний, можно получить материалы с очень малой коэрцитивной силой, которые имеют очень узкую петлю гистерезиса. Материалы с узкими петлями гистерезиса легко намагничиваются и размагничиваются и известны как магнитомягкие материалы.

Магнитные петли гистерезиса для мягких и твердых материалов

Гистерезис - Справочник студента

Магнитный гистерезис приводит к рассеиванию потраченной энергии в виде тепла, причем энергия теряется пропорционально площади петли магнитного гистерезиса. Потери гистерезиса всегда будут проблемой в трансформаторах переменного тока, где ток постоянно меняет направление, и, таким образом, магнитные полюсы в сердечнике будут вызывать потери, потому что они постоянно меняют направление.

Вращающиеся катушки в машинах постоянного тока также будут нести гистерезисные потери, поскольку они попеременно проходят севернее южных магнитных полюсов.

Как указывалось ранее, форма петли гистерезиса зависит от природы используемого железа или стали, и в случае железа, которое подвергается массивным изменениям магнетизма, например, сердечники трансформатора, важно, чтобы петля гистерезиса B-H была как можно меньше.

В следующей статье об электромагнетизме мы рассмотрим закон электромагнитной индукции Фарадея и увидим, что, перемещая проводной проводник в стационарном магнитном поле, можно вызвать электрический ток в проводнике, образующий простой генератор.

Источник: https://meanders.ru/chto-takoe-magnitnyj-gisterezis-krivye-magnitnogo-namagnichivanija.shtml

Что такое гистерезис в температурах и давлениях?

  • Что такое гистерезис в температурах и давлениях?
  • Если говорить глобально…

Гистере́зис (в переводе с греческого — отстающий) — свойство систем (физических, логических, биологических и т. д.), мгновенный отклик которых на приложенные к ним воздействия зависит в том числе и от их текущего состояния, а поведение системы на интервале времени во многом определяется её предысторией.

Кстати

Многие устройства по регулировке и контролю температуры систем отопления имеют настройку не только температуры, но и обязательную настройку гистерезиса, которая позволяет уменьшить количество переключения в единицу времени между двумя положениями: Вкл / Выкл. Гистерезис также позволяет повысить точность регулировки температуры уменьшением гистерезиса.

  1. На сегодняшний день в основном существует только дуальный гистерезис, имеющий только два положения.
  2. К примеру, мы рассмотрим два варианта:
  3. 1. Температурный гистерезис – для логики темростатов
  4. 2. Гистерезис давления – реле включения / отключения насосов
  5. Как известно у них имеется только два варианта: Вкл / Выкл.
  6. Данное понятие можно разделить на две составляющее:

1. Обозначить этим термином само явление, что существует гистерезис. Например, что данная система обладает гистерезисом.

2. Обозначить значение гистерезиса. Например, сказать, что гистерезис равен 2 градусам.

Исходя из этого

Гистерезисом называется или величина, при котором сигнал меняется на противоположный сигнал. Или сам эффект при котором, действие переключения на противоположный сигнал осуществляется с некоторой задержкой по величине влияния. (Например, при достижение нормы температуры и превышение этой нормы сигнал изменится не сразу, а по достижению той самой величины гистерезиса).

График температурного гистерезиса

Гистерезис - Справочник студента

Пример для термостата

Термостат настроен на 25 градусов с гистерезисом 2 градуса.

Предположим что температура помещения 20 градусов. Когда температура достигнет 27 градусов термостат переходит в положение отключения. После этого температура помещения будет падать. Когда температура достигнет 23 градусов, то термостат переходит в положение включения. Цикл замыкается.

  • Пример для реле давления
  • Реле настроено на два порога: Порог включения 1,2 Bar, порог отключения 3 Bar
  • Гистерезис при этом будет равен 0,9 Bar. (3-1,2)/2=0,9

Гистерезис - Справочник студента

Когда давление составляет 1 Bar, реле замыкает контакт. Когда давление достигает 3 Bar, реле размыкает контакт. Когда давление достигает 1,2 Bar, реле вновь замыкает контакт. Цикл повторяется.

Вот собственно так и нужно понимать логику гистерезиса.

Если бы давление включение и отключения имели одно значение, то гистерезиса бы не было. То есть если порог включения равен порогу отключения, то в такой системе отсутствует гистерезис.

А поскольку комнатные термостаты обладают разными порогами включения и отключения, то такая система обладает гистерезисом. Гистерезис в свою очередь позволяет реже производить переключение между двумя положениями: Вкл / Выкл. Но чем больше гистерезис, тем выше скачкообразное изменение температуры.

Существуют другие графики гистерезисов. Например, магнитный гистерезис

Гистерезис - Справочник студента

  1. Пишите комментарии!

Источник: http://infosantehnik.ru/str/54.html

Диэлектрический гистерезис

Полярные диэлектрики способные спонтанно поляризоваться в определенном интервале температур, называют сегнетоэлектриками.

Относительная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков очень большая порядка $varepsilon sim {10}^4$. Она зависит от напряженности внешнего электрического поля, при этом функциональная зависимость не является однозначной. Величина $varepsilon $ у сегнетоэлектрика зависит от истории изменения напряженности до достижения рассматриваемого значения.

Примером сегнетоэлектрика, у которого были обнаружены свойства этого класса веществ, является сегнетова соль.

Сегнетоэлектрик имеет доменную структуру. При отсутствии внешнего электрического поля дипольный момент кристалла сегнетоэлектрика равен нулю, так как отдельные дипольные моменты доменов хаотически ориентированы. Во внешнем электрическом поле часть диполей переориентируются, часть увеличивается за счет других диполей. Этот процесс ведет к появлению в веществе поляризации ($overline{P}$).

Зависимость величины вектора поляризации от внешнего электрического поля для сегнетоэлектрика

Связь между вектором поляризации и напряженностью электрического поля ($P(E)$), в которое помещен сегнетоэлектрик, изображает кривая на рис.1.

Гистерезис - Справочник студента

Неполяризованный диэлектрик помещаем в электрическое поле ($P=0;;E=0$) (точка О на рис.1), постепенно увеличиваем его напряженность. Рост величины $left|overline{P}
ight|$ идет вдоль отрезка кривой $OA$.

В точке $A$ поляризация образца такова, что в этом состоянии векторы поляризации всех отдельных доменов ориентированы вдоль поля.

Начиная от точки $A,$ поляризованность диэлектрика увеличивается из-за индуцированной поляризации (поляризация за счет электронного и ионного смещения). На прямолинейном отрезке $AA'$ величина поляризации прямо пропорциональна величине напряженности поля.

Если продолжить отрезок $AA'$ до пересечения с осью $P$, то отрезок $OP_c$ равен величине спонтанной поляризации. Из наклона ветви насыщения ($AA'$) можно найти электрическую проницаемость кристалла вдоль полярной оси.

Рассмотрим поведение поляризации при уменьшении напряженности поля. Уменьшаем $E$ (от точки $A'$). В этом случае модуль
поляризации будет уменьшаться, следуя по кривой $A'ACB_1. $Данная кривая находится выше, чем кривая, по которой происходила поляризация сегнетоэлектрика.

Получаем, что процедура смены ориентации и изменения размеров доменов в поле опаздывает. В том стоит явление гистерезиса. Вектор поляризации не является однозначно определенным напряженностью внешнего поля, а связан с предысторией вещества. Дойдя до $E=0,$ изменим направление поля на противоположное и вновь станем увеличивать $E$.

Получим отрезок кривой: $B_1A_1{A'}_1$.

Если от точки ${A'}_1$ начать вновь уменьшать напряженность электрического поля, то изменение поляризации идет по кривой ${A'}_1A_1C_1B$.

От точки $B$ вновь увеличиваем напряженность и получаем кривую ${A'}_1A_1C_1BAA'$ которая симметрична кривой $A'ACB_1A_1{A'}_1$ по отношению к точке О.

В результате имеем замкнутую кривую, которая носит название петли гистерезиса.

Петля гистерезиса для электрического смещения

  • Так как диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика зависит от напряженности ($varepsilon (E)$), следовательно, величина вектора электрического смещения не линейна по отношению к напряженности электрического поля, так как:
  • А раз связь между $varepsilon $ и $E $является неоднозначной, то неоднозначна зависимость $D$ от $E$.
  • Кроме того, мы помним, что вектор электрического смещения определен как:

[D=varepsilon Eleft(1
ight).] [overline{D}={varepsilon }_0overline{E}+overline{P}left(2
ight). ]

Для сегнетоэлектриков (в виду больших $varepsilon $) $Ell D$, пренебрегая первым слагаемым в выражении (2), становится очевидно, то если строить кривую $D(E)$, то мы получим рис.

2, который от кривой $P(E)$ только масштабом. extit{}

Зависимость смещения от напряженности внешнего поля имеет вид, показанный на рис.2.

Гистерезис - Справочник студента

Стрелками на кривой рис.1 изображено направление изменения напряженности электрического поля. Отрезок $OL$ — показывает величину остаточной поляризации вещества (при $E=0$).

Величина отрезка $OM$ равна величине напряженности электрического поля, направленного против вектора $overline{P}$ которое нужно создать для деполяризации сегнетоэлектрика. В тоске $M$ остаточная поляризация образца равна нулю.

Чем длиннее отрезок $OM$, тем лучше сегнетоэлектрик удерживает поляризацию.

Возникновение петли гистерезиса вызвано затратами энергии на превращение метастабильных полей в каждом цикле изменения поля. Площадь петли пропорциональна энергии, которая рассеивается в сегнетоэлектрическом теле как тепло.

Примеры задач с решением

Пример 1

Задание. Укажите точки на кривой гистерезиса, в которых происходит переполяризация диэлектрика (рис.3).

Гистерезис - Справочник студента

Решение. При некоторой величине напряженности внешнего поля, которую называют напряженностью коэрцитивного поля, поляризация изменяет свое направление, переходя через ноль. В этих точках графика происходит переполяризация вещества. На графике петли гистерезиса таких точек две, это точки $C и K$. Длины отрезков $OC и OK$ равны величине коэрцитивного поля. extit{}

Пример 2

Задание. Каков общепринятый критерий выделяющий сегнетоэлектрики? Как оценивают параметры сегнетоэлектриков, используя петли гистерезиса?

Решение. Критерий, который используют при отнесении диэлектрика к сегнетоэлектрикам, является наличие петли гистерезиса $P(E)$, характеризующей реакцию сегнетоэлектрика на напряженность внешнего электрического поля, в которое он помещается.

Данную петлю чаще всего наблюдают при помощи осциллографа. Последовательно с испытуемым образцом диэлектрика соединяют конденсатор, имеющий большую емкость.

При помощи напряжения на эталонном конденсаторе определяют заряд, который проходит через исследуемый диэлектрик (это же напряжение приложено к входу осциллографа). На другой вход осциллографа подают переменное напряжение.

Если рассматриваемый образец диэлектрика не является сегнетоэлектриком, то на экране осциллографа мы увидим прямую линию. При наличии сегнетоэлектрика на экране получим петлю гистерезиса.

Петли гистерезиса используют для оценки спонтанной поляризации вещества Для этого проводят экстраполяцию участка насыщения до оси ординат, получают модуль спонтанной поляризации ($P_c$) (рис.1 точка $C'$). Точка пресечения петли с осью $P $(рис.1 точка C).

) дает размер остаточной поляризации. Если провести перпендикуляр от наибольшего значения поляризации к оси ординат, то получают величину полной поляризации. Точка пересечения петли гистерезиса с осью абсцисс показывает величину коэрцитивного поля.

Площадь петли гистерезиса определяет работу поляризации.

Измеряя параметры петли гистерезиса при разных температурах находят зависимость поляризации от температуры. При изменении температуры сегнетоэлектрика можно наблюдать исчезновение петли гистерезиса, так определить температуру точки Кюри.

Читать дальше: задачи и методы термодинамики.

Источник: https://www.webmath.ru/poleznoe/fizika/fizika_160_dijelektricheskij_gisterezis.php

Гистерезис в физике, теория и примеры

В физике понятие гистерезис обозначает явление, в котором параметр, определяющий состояние тела (вещества), проявляет неоднозначную зависимость от физической величины, характеризующей внешние условия (изменение внешних условий).

Гистерезис наблюдают в случае, если состояние вещества в настоящий момент времени зависит не только от внешних условий сейчас, но и связано с предысторией состояний тела. Для того чтобы изменить состояние тела всегда необходимо время (время релаксации). Чем медленнее производится процесс изменения внешних условий, тем меньше отставание в реакции.

Для некоторых процессов замедление процесса изменений не уменьшает отставание. В таких случаях говорят о явлении гистерезиса.

Явление гистерезиса может проявляться не только в физике, но и в технике, биологии, экономике, социологии и т.д.

В физике наиболее часто имеют дело с гистерезисом магнитным, сегнетоэлектрическим и упругим.

Магнитный гистерезис

Намагниченность магнетиков, например, железа зависит не только от того какова напряженность магнитного поля в данный момент, но и от того в каком поле он находился до этого.

Так, если взять кусок железа не намагниченного, поместить его в магнитном поле, увеличивать напряженность внешнего магнитного поля и измерять намагниченность железа, намагниченность будет постепенно расти, сначала резко, затем медленнее и при некоторых величинах напряженности поля перестанет увеличиваться. Железо достигает магнитного насыщения, при этом все элементарные токи ориентированы.

Получив насыщение, будем ослаблять внешнее магнитное поле. Намагниченность вещества станет уменьшаться, но этот процесс пойдет медленнее, чем происходил рост. Железо будет сохранять остаточную намагниченность при напряженности магнитного поля равном нулю. Для размагничивания железа требуется приложить внешнее магнитное поле, которое будет направлено в противоположную строну.

Намагниченность железа зависит не только от того какова напряженность поля в рассматриваемый момент времени, но и предыстории состояний вещества. Графической характеристикой явления магнитного гистерезиса является петля гистерезиса.

Сегнетоэлектрический гистерезис

Если сегнетоэлектрик помещают в электрическое поле, сначала поляризация резко увеличивается, затем происходит насыщение. При уменьшении поля поляризация уменьшается медленнее, чем росла.

В процессе уменьшения поля проявляется явление остаточной поляризации (при напряженности поля равной нулю, поляризация отличается от нуля).

Явление сегнетоэлектрическое гистерезиса характеризуют при помощи замкнутой кривой, которую называют петлей гистерезиса.

Упругий гистерезис

Упругий гистерезис – это проявление явления внутреннего трения.

Если создается циклическая нагрузка и разгрузка тела, то графически диаграмма напряжений – деформаций изображается как петля гистерезиса.

Причиной возникновения упругого гистерезиса является появление в некоторых отдельных элементах тела местных пластических деформаций, которые создают в окружающем их пространстве остаточные напряжения.

Примеры решения задач

Понравился сайт? Расскажи друзьям!

Источник: http://ru.solverbook.com/spravochnik/fizika/gisterezis/

Ссылка на основную публикацию