Петля гістерези схеми. Що таке гістерезис? Крива намагнічування та петля гістерезису

Гістерезис походить від грецького слова, Що означає запізнення чи відставання. З цим поняттям пов'язана така фізична величина, як петля гістерези, що визначає одну з характеристик тіла. Вона певним чином пов'язана також з фізичними величинами, що характеризують зовнішні умови, такі як магнітне поле.

Загальні поняття гістерези

Гістерезис можна спостерігати в ті моменти, коли якесь тіло в конкретний період часу перебуватиме в залежності від зовнішніх умов. Даний стантіла розглядається і в попередній час, після чого проводиться порівняння та виводиться певна залежність.

Подібна залежність добре проглядається на прикладі людського тіла. Щоб змінити його стан, буде потрібно якийсь відрізок часу на релаксацію. Тому реакція тіла завжди відставатиме від причин, що викликали змінений стан. Дане відставання значно зменшується, якщо зміна зовнішніх умов також буде змінюватися. Тим не менш, у деяких випадках може не відбутися зменшення відставань. В результаті виникає неоднозначна залежність величин, відома як гістерезисна, а саме явище називається гістерезисом.

Ця фізична величина може зустрічатися в самих різних речовинахі процесах, проте найчастіше розглядаються поняття діелектричного, магнітного та пружного гістерези. Магнітний гістерезис зазвичай з'являється в магнітних речовиннаприклад, таких як феромагнетики. Характерною особливістюцих матеріалів є мимовільна або спонтанна неоднорідна намагніченість, що наочно демонструє це фізичне явище.

Механізм виникнення петлі гістерези

Сам по собі гістерезис є кривою, що відображає змінений магнітний момент речовини, на яке впливає напруженість поля, що періодично змінюється. Коли магнітне поле впливає на феромагнетики, то зміна їх магнітного моменту настає не відразу, а з певною затримкою.

У кожному феромагнетиці спочатку присутня мимовільна намагніченість. Сам матеріал включає до свого складу окремі фрагменти, кожен з яких має власний магнітний момент. При спрямованості цих моментів у різні сторонизначення сумарного моменту виявляється рівним нулю в результаті взаємної компенсації.

Якщо на феромагнетик вплинути магнітним полем, то всі моменти, присутні в окремих фрагментах (доменах) будуть розгорнуті вздовж зовнішнього поля. У результаті, у матеріалі утворюється деякий загальний моментспрямований в один бік. Якщо зовнішня діяполя припиняється, то домени не всі опиняться у первісному положенні. Для цього буде потрібний вплив досить сильного магнітного полядля розвороту доменів. Такому розвороту створюють перешкоди наявність домішок та неоднорідність матеріалу. Тому матеріал має деяку залишкову намагніченість навіть при відключеному зовнішньому полі.

Для зняття залишкового магнітного моменту, необхідний додаток дії поля в протилежному напрямку. Напруженість поля повинна мати достатню величину, щоб виконати повне розмагнічування матеріалу. Така величина відома як коерцитивна сила. Подальше збільшення магнітного поля призведе до перемагнічування феромагнетика у протилежний бік.

Коли напруженість поля досягає певного значенняматеріал стає насиченим, тобто магнітний момент більше не збільшується. При знятті поля знову спостерігається наявність залишкового моменту, який можна прибрати. Подальше збільшення поля призводить до потрапляння до точки насичення з протилежним значенням.

Таким чином, на графіці з'являється петля гістерези, початок якої припадає на нульові значення поля і моменту. Надалі, перше ж намагнічування виводить початок петлі гістерези з нуля і весь процес починає відбуватися за графіком замкнутої петлі.

Крива намагнічування та петля гістерезису

Для характеристики явища намагнічування речовини вводиться величина намагніченістю речовини.Намагніченість у СІ визначається формулою

Для феромагнітних тіл намагніченість I є складною нелінійною функцією B0. Залежність від величини В/µ 0 називається кривою намагніченості (рис.2). Крива вказує на явище магнітного насичення: починаючи з деякого значення У/µ 0 = В 0н /µ 0 намагніченість практично залишається постійною, рівною Iн (намагніченість насичення).

Магнітною гістерезисом (Від грецької «hysteresis» - відставання слідства з його причини) феромагнетика називається відставання зміни величини намагніченості феромагнітної речовинивід зміни зовнішнього магнітного поля, в якому міститься речовина. Найважливішою причиноюмагнітної гістерези є характерна для феромагнетика залежність його магнітних характеристик(µ, I) не тільки від стану речовини в Наразі, а й від значень величин µ і I попередні моменти часу. Таким чином, існує залежність магнітних властивостейвід попередньої намагніченості речовини.

Петлею гістерезису називається крива залежності зміни величини намагніченості феромагнітного тіла, поміщеного в зовнішнє магнітне поле, від зміни індукції цього поля від + В/µ 0 до - В/µ 0 і назад. Значення + В/µ 0 відповідає намагніченості насичення I н. Щоб повністю розмагнітити феромагнітне тіло, необхідно змінити напрямок зовнішнього поля. При деякому значенні магнітної індукції - 0к, якій відповідає величина 0к /µ 0 , звана коерцитивною силою, що затримує, намагніченість I тіла стане рівною нулю.

Коерцитивна сила та форма петлі гістерезису характеризують властивість феромагнетика зберігати залишкове намагнічування та визначають використання феромагнетиків для різних цілей. Феромагнетики з широкою петлею гістерезису називаються жорсткими магнітними матеріалами (вуглецеві, вольфрамові, хромові, алюмінієво-нікелеві та інші сталі). Вони мають велику коерцитивну силу і використовуються для створення постійних магнітів різної форми(смужкових, підковоподібних, магнітних стрілок). До м'яких магнітних матеріалів, що мають малу коерцитивну силу і вузьку петлю гістерезису, відносяться залізо, сплави заліза з нікелем. Ці матеріали використовуються для виготовлення сердечників трансформаторів, генераторів та інших пристроїв, за умовами роботи яких відбувається перемагнічування у змінних магнітних петлях. Перемагнічування феромагнетика пов'язане з поворотом областей мимовільного намагнічування. Робота, необхідна цього, відбувається з допомогою енергії зовнішнього магнітного поля. Кількість теплоти, що виділяється при перемагнічуванні, пропорційна площі петлі гістерези.

При температурах менших точки Кюрі будь-яке феромагнітне тіло складається з доменів - малихобластей з лінійними розмірами порядку 10 -2 -10 -3 см, усередині яких існує найбільша величина намагніченості, що дорівнює намагніченості насичення. Домени називаються інакше областями мимовільної намагніченості.За відсутності зовнішнього магнітного поля вектори магнітних моментівокремих доменів орієнтовані всередині феромагнетика абсолютно безладно, тому сумарний магнітний момент всього тіла дорівнює нулю(Рис.). Під впливом зовнішнього магнітного поля у феромагнетиках відбувається поворот уздовж поля магнітних моментів. окремих атомівчи молекул, як і парамагнетиках, а цілих областей мимовільної намагніченості - доменів. При збільшенні зовнішнього поля розміри доменів, намагнічених уздовж зовнішнього поля, зростають за рахунок зменшення розмірів доменів з іншими орієнтаціями, що не збігаються з напрямком зовнішнього поля. При досить сильному зовнішньому магнітному полі все феромагнітне тіло виявляється намагніченим. Величина намагніченості досягає максимального значення- Настає магнітне насичення. У відсутність зовнішнього поля частина магнітних моментів доменів залишається орієнтованою, і цим пояснюється існування залишкової намагніченості та можливість створення постійних магнітів.

Застосування феромагнетиків у техніці. Ротори генераторів та електродвигунів; сердечники трансформаторів, електромагнітних реле; в електронно-обчислювальних машинах (ЕОМ), телефонах, магнітофонах, магнітних стрічках.

Парамагнітні речовини характеризуються тим, що намагнічуються у зовнішньому магнітному полі; якщо це поле вимкнути, парамагнетики повертаються в ненамагнічений стан. Намагніченість у феромагнетиках зберігається і після вимкнення зовнішнього поля. На рис. 2 представлена ​​типова петля гістерези для магнітно-твердого (з великими втратами) феромагнітного матеріалу. Вона характеризує неоднозначну залежність намагніченості магнітоупорядкованого матеріалу від напруженості поля, що намагнічує. Зі збільшенням напруженості магнітного поля від вихідної (нульової) точки (1) намагнічування йде штрихової лінії 1-2, причому величина m істотно змінюється в міру того, як зростає намагніченість зразка. У точці 2 досягається насичення, тобто. при подальшому збільшенні напруженості намагніченість не збільшується. Якщо тепер поступово зменшувати величину H до нуля, то крива B(H) вже не слід по колишньому шляху, а проходить через точку 3, виявляючи як би "пам'ять" матеріалу про " минулої історії", звідки і назва "гістерезис". Очевидно, що при цьому зберігається деяка залишкова намагніченість (відрізок 1-3). Після зміни напрямку поля, що намагнічує, на зворотне крива В (Н) проходить точку 4, причому відрізок (1)-(4) Подальше зростання значень (-H) призводить криву гістерезису в третій квадрант - ділянку 4-5, наступне зменшення величини (-H) до нуля і потім зростання позитивних значень H призведе до замикання петлі гістерези через точки 6, 7 і 2.

Рис. 2. ТИПІЧНА ПЕТЛЯ ГІСТЕРЕЗИСУ для магнітно-твердого феромагнітного матеріалу. У точці 2 досягається магнітне насичення. Відрізок 1-3 визначає залишкову магнітну індукцію, а відрізок 1-4 - коерцитивну силу, що характеризує здатність зразка протистояти розмагнічування.

Магнітно-тверді матеріали характеризуються широкою петлею гістерези, що охоплює значну площу на діаграмі і тому відповідає великим значенням залишкової намагніченості (магнітної індукції) та коерцитивної сили. Вузька петля гістерезису (рис. 3) характерна для магнітно-м'яких матеріалів - таких, як м'яка сталь та спеціальні сплави з великою магнітною проникністю. Такі сплави були створені з метою зниження обумовлених гістерезисом енергетичних втрат. Більшість подібних спеціальних сплавів, як і ферити, мають високий електричним опоромзавдяки чому зменшуються не тільки магнітні втрати, а й електричні, зумовлені вихровими струмами.

Рис. 3. ТИПІЧНА ПЕТЛЯ ГІСТЕРЕЗИСУ для магнітно-м'якого матеріалу (наприклад, заліза). Оскільки площа петлі пропорційна втрат енергії, такі матеріали слабо опираються розмагнічування і характеризуються малими втратами енергії.

Магнітні матеріали з високою проникністю виготовляються шляхом відпалу, що здійснюється витримуванням при температурі близько 1000° С, з подальшою відпусткою (поступовим охолодженням) кімнатної температури. При цьому дуже суттєві попередня механічна та термічна обробка, а також відсутність у зразку домішок. Для сердечників трансформаторів на початку 20 ст. були розроблені крем'янисті сталі, величина m яких зростала зі збільшенням вмісту кремнію. Між 1915 і 1920 з'явилися пермаллої (сплави Ni з Fe) з характерною для них вузькою і майже прямокутною петлею гістерези. Особливо високими значеннямимагнітної проникності m при малих значеннях H відрізняються сплави гіпернік (50% Ni, 50% Fe) та му-метал (75% Ni, 18% Fe, 5% Cu, 2% Cr), тоді як у пермінварі (45% Ni, 30% Fe, 25% Co) величина m практично стала в широких межах зміни напруженості поля. Серед сучасних магнітних матеріалівслід згадати супермалло - сплав з найвищою магнітною проникністю (до його складу входить 79% Ni, 15% Fe і 5% Mo).

(Взято з http://www.phyzika.ru/Magnitnoe.html)

Гістерез (від грец. hysteresis - відставання) - фізичне явище, при якому спостерігається запізнення зміни стану системи від зміни фізичної величини, Що визначає зовнішні умови
Наприклад, запізнення зміни намагніченості феромагнетика від зміни напруженості магнітного поля; запізнення зміни поляризації сегнетоелектрика від зміни електричного поля.
Спостерігається у випадках, коли стан системи визначається зовнішніми умовамине тільки в даний момент часу, а й у попередні моменти. Гістерезис спостерігається у різних розділах фізики. Найбільш важливі: магнітний гістерезис, сегнетоелектричний гістерезис та пружний гістерезис.

Суть даного явищаможна пояснити з прикладу роботи термостата.
Розглянемо термостат, налаштований підтримки температури 20 °З допомогою електричного нагрівача. Якби керуюча нагрівачем біметалічна пластина, що деформується при зміні температури, не мала гістерезису, нагрівач включався б і вимикався дуже часто, що призведе до швидкого зношування контактів. Насправді регулятор включається за 19 °С, а вимикається приблизно за 21 °С. При цьому механічна інерційність біметалічної пластини і теплова інерційність нагрівача породжують явище гістерези, перемикання режимів відбувається з невеликою частотою, а температура в термостаті коливається в деякому інтервалі поблизу заданого значення (Рис. 1).

Малюнок 1

Для гістерези характерне явище «насичення», а також неоднаковість траєкторій між крайніми станами, звідси наявність гострокутної петлі на графіках, що називається петлею гістерези. Неоднозначна залежність стану системи від фізичної величини (при циклічній зміні) зображується петлею гістерезису ( Рис. 2)

Малюнок 2

В електроніці та електротехніці використовуються пристрої, що володіють магнітною гістерезисом - різні магнітні носії інформації, або електричною гістерезисом, наприклад, тригер Шмітта або гістерезисний двигун. Гістерезис використовується для придушення шумів (швидких коливань, брязкоту контактів) в момент перемикання логічних сигналів. Наприклад, для придушення брязкоту контактів часто застосовується тригер Шмітта ( Рис. 3).

Малюнок 3. Петля гістерези для тригера Шмітта має прямокутний вигляд.
В електронних приладах всіх видів спостерігається явище теплової гістерези: після нагрівання приладу та його подальшого охолодження до початкової температури його параметри не повертаються до початкових значень. Через неоднакове теплового розширеннякристалів напівпровідників, кристалотримачів, корпусів мікросхем і друкованих плат у кристалах виникають механічні напруги, які зберігаються і після охолодження. Явище теплового гістерези найбільш помітно в прецизійних джерелах опорної напруги, що використовуються у вимірювальних аналого-цифрових перетворювачах. У сучасних мікросхемах відносний зсув опорної напруги внаслідок теплової гістерези складає близько 10-100

Щоб краще зрозуміти, що таке магнітний гістерезис, потрібно розібратися, де за яких умов він виникає.

Основні поняття

Магнітне поле– це одна із складових електромагнітного поля, що характеризується своєю силовою дією на заряджені частинки, що рухаються.

Вектор магнітної індукції B- Це основна силова величина магнітного поля.

Намагніченість M– це величина, що характеризує магнітний станречовини.

Напруженість магнітного поля– це характеристика магнітного поля, яка дорівнює різниці магнітної індукції та намагніченості.

Феромагнітний матеріал- Це матеріал, намагніченість якого залежить від напруженості зовнішнього магнітного поля.

Припустимо, ми маємо котушку, всередині якої є сердечник із феромагнітного матеріалу. Зазвичай такий сердечник складається із заліза, нікелю, кобальту та різних з'єднаньз їхньої основі. Якщо підключити її до джерела змінного струму, то навколо котушки утворюється магнітне поле, яке змінюватиметься за законом

Графік залежності B(H)

Ділянка 0-1 називається кривою первісного намагнічування. Завдяки ній ми можемо побачити, як змінюється магнітна індукція у розмагніченій котушці.

Після насичення (тобто точки 1) із зменшенням напруженості магнітного поля до нуля (ділянка 1-2), бачимо, що сердечник залишився намагніченим на величину залишкової намагніченості Br. Це і називається явищем магнітної гістерези.

З погляду фізики залишкова намагніченість пояснюється тим, що у феромагнетиках існують сильні магнітні зв'язкиміж молекулами, завдяки яким створюються безладно спрямовані магнітні моменти. Під впливом зовнішнього поля вони приймають напрямки поля, а після його зняття частина магнітних моментів залишаються спрямованими. Тому речовина залишається намагніченою.

Після зміни напрямку струму в котушці розмагнічування продовжується (дільниця 2-3) до перетину осі абсцис. Ділянка 3-0 називається коерцитивною силою Hc. Це величина, яка необхідна для знищення поля в осерді. Далі аналогічно відбувається намагнічування сердечника до насичення (ділянка 3-4) і розмагнічування на ділянці 4-5 і 5-6, з наступним намагнічуванням до точки 1. Весь цей графік називається петлею магнітного гістерезису.

Якщо багаторазово намагнітити сердечник з напруженістю та індукцією магнітного поля, меншими ніж при насиченні, можна отримати сімейство кривих, з яких надалі можна побудувати основну криву намагнічування (0-1-2). Ця крива часто потрібна при електротехнічних розрахунках магнітних систем.

Залежно від ширини петлі гістерези, феромагнітні матеріали ділять на магнітотверді та магнітом'які. Магнітотверді речовини мають великими значеннямизалишкової намагніченості та коерцитивної сили. Магнітом'які речовини, такі як електротехнічна сталь застосовують у трансформаторах, електричних машинах, електромагнітах, завдяки невеликій коерцитивній силі і великому значеннюмагнітної проникності.

Гістерезис

Явище магнітної гістерези спостерігається не тільки при зміні поля Hза величиною та знаком, але також і при його обертанні (гістерезис магнітного обертання), що відповідає відставанню (затримці) у зміні напряму Mзі зміною напряму H. Гістерезис магнітного обертання виникає також при обертанні зразка щодо фіксованого напрямку H.

Теорія явища гістерези враховує конкретну магнітну доменну структуру зразка та її зміни в ході намагнічування та перемагнічування. Ці зміни зумовлені зміщенням доменних кордонів і зростанням одних доменів рахунок інших, і навіть обертанням вектора намагніченості в доменах під впливом зовнішнього магнітного поля. Все, що затримує ці процеси та сприяє потраплянню магнетиків у метастабільні стани, може спричиняти магнітну гістерезу.

У однодоменних феромагнітних частках (у частках малих розмірів, у яких освіта доменів енергетично невигідно) можуть йти лише процеси обертання M. Цим процесам перешкоджає магнітна анізотропія. різного походження(анізотропія самого кристала, анізотропія форми частинок та анізотропія пружних напруг). Завдяки анізотропії, Mначебто утримується деяким внутрішнім полем (ефективним полем магнітної анізотропії) вздовж однієї з осей легкого намагнічування, що відповідає мінімуму енергії. Магнітний гістерезис виникає через те, що два напрями M(за і проти) цієї осі в магнітоодноосному зразку або кілька еквівалентних (за енергією) напрямків Му магнітомногоосному зразку відповідають станам, відокремленим один від одного потенційним бар'єром(Пропорційним). При перемагнічуванні однодоменних частинок вектор Mпоряд послідовних незворотних стрибків повертається у напрямку H. Такі повороти можуть відбуватися як однорідно, і неоднорідно за обсягом. При однорідному обертанні Mкоерцитивна сила. Більш універсальним є механізм неоднорідного обертання M. Однак найбільший впливвін надає у разі, коли основну роль грає анізотропія форми частинок. При цьому може бути значно менше ефективного поля анізотропії форми.

Сегнетоелектричний гістерезис- неоднозначна петлеподібна залежність поляризації Pсегнетоелектриків від зовнішнього електричного поля Eпри його циклічній зміні. Сегнетоэлектрические кристали мають у певному температурному інтервалі спонтанної (самовільної, тобто виникає у відсутності зовнішнього електричного поля) електричною поляризацією P c. Напрямок поляризації може бути змінено електричним полем. При цьому залежність P(E) у полярній фазі неоднозначна, значення Pпри цьому Eзалежить від передісторії, тобто від того, яким було електричне поле у ​​попередні моменти часу. Основні параметри сегнетоелектричного гістерезису:

• залишкова поляризація кристала Pост, при E = 0
• значення поля E Kt (коерцитивне поле) при якому відбувається переполяризація

Пружний гістерезис

Гістерезис використовується для придушення шумів (швидких коливань, брязкоту контактів) в момент перемикання логічних сигналів.

В електронних приладах всіх видів спостерігається явище теплової гістерези: після нагрівання приладу та його подальшого охолодження до початкової температури його параметри не повертаються до початкових значень. Через неоднакове теплове розширення кристалів напівпровідників, кристалотримачів, корпусів мікросхем і друкованих плат у кристалах виникають механічні напруги, які зберігаються і після охолодження. Явище теплового гістерези найбільш помітно в прецизійних, що використовуються у вимірювальних аналого-цифрових перетворювачах. У сучасних мікросхемах відносний зсув опорної напруги внаслідок теплової гістерези складають близько 10-100 ppm.

У біології

Гістерезисні властивості характерні для скелетних м'язів ссавців.

У ґрунтознавстві

Одне вказує на взаємозв'язок докладених зусиль суб'єктом впливу і досягнутим результатом. Рівень витраченої суб'єктом просвітницької та пропагандистської роботи можна співвідносити з рівнем «намагніченості» (ступенем залучення до нову ідею) об'єкта-носія громадської думки, соціальну групу, колектив, соціальну спільністьчи суспільство загалом; при цьому може виявитись деяке відставання об'єкта від суб'єкта. Переконання, у тому числі з передбачуваними деструктивними наслідками, далеко не завжди проходить успішно. Воно залежить від своїх моральних цінностей, звичаїв, традицій, характеру попереднього виховання, від етичних норм, що домінують у суспільстві тощо.

Друга обставина пов'язана з тим, що новий етапформування суспільної думки можна співвідносити з історією об'єкта, його досвідом, його оцінкою тими, хто раніше виступав об'єктом формування громадської думки. При цьому можна виявити, що "точка відліку" часу формування громадської думки зміщується щодо колишньої, що є характеристикою самої системи та її поточного стану.

Література на тему

• Раддай РайхлінГромадянська війна, терор та бандитизм. Систематизація соціології та соціальна динаміка.Розділ «Боротьба з натовпом»
• Капустін Валерій СергійовичВведення в теорію соціальної самоорганізації.Тема 11. Явище гістерези у формуванні національних формта способів самоорганізації. Сучасні парадокси та загадки «початку»

У філософії

Математичні моделі гістерези

Поява математичних моделейгістерезисних явищ зумовлювалося досить багатим набором прикладних завдань(насамперед у теорії автоматичного регулювання), у яких носії гістерези не можна розглядати ізольовано, оскільки вони були частиною деякої системи. створіння математичної теоріїгістерези відноситься до 60-х років XX-го століття, коли у Воронезькому університеті почав працювати семінар під керівництвом М. А. Красносільського, «гістерезисної» тематики. Пізніше, в 1983 році з'явилася монографія , в якій різні гістерезисні явища отримали формальний опис у рамках теорії систем: гістерезисні перетворювачі трактувалися як оператори, що залежать від свого початкового стану як від параметра, визначені досить багатому функціональному просторі (наприклад, у просторі безперервних функцій), що діють у деякому функціональному просторі. Просте параметричний описрізних петель гістерези можна знайти в роботі (заміна в даній моделі гармонійних функційна прямокутні, трикутні або трапецеїдальні імпульси дозволяє також отримати шматково-лінійні петлі гістерези, які часто зустрічаються в дискретній автоматиці, див. 2).

Література

Примітки

Wikimedia Foundation. 2010 .

Дивитися що таке "Гістерезис" в інших словниках:

- (від грец. hysteresis відставання) запізнювання зміни фізичної величини, що характеризує стан речовини (намагніченості М феромагнетика, поляризації P сегнетоелектрика тощо), від зміни іншої фізичної величини, що визначає… Великий Енциклопедичний словник

Зсув, відставання Словник російських синонімів. гістерезіс сущ., кіл у синонімів: 2 відставання (10) … Словник синонімів

ГІСТЕРЕЗА, явище, характерне для пружних тіл; полягає в тому, що ДЕФОРМАЦІЯ тіла при збільшенні НАПРУГИ менше, ніж при його зменшенні через затримку ефекту деформації. Коли механічна напруга повністю видалена, залишається… … Науково-технічний енциклопедичний словник

- (від грецького hysteresis відставання, запізнення) 1) Р. в аеродинаміці неоднозначність структури поля течії і, отже, аеродинамічних характеристик обтіканого тіла при тих самих значеннях кінематичних параметрів, але при… Енциклопедія техніки