Гистерезис в электротехнике: Гистерезис в электротехнике. Магнитные свойства веществ

Содержание

Гистерезис в электротехнике. Магнитные свойства веществ

Любой электромагнитный сердечник после действия электрического тока какое-то время сохраняет магнитное поле (остаточный магнетизм). Эта величина зависит от свойств материала, но остаточный магнетизм всегда имеется. Чтобы перемагнитить сердечник, необходим магнитный поток обратного направления. Изменение магнитной индукции не успевает за изменением магнитного потока. Эта задержка по времени намагничивания сердечника из-за изменения направления магнитных потоков и именуется как гистерезис.

Чтобы понять всю сущность этого явления, необходимо рассмотреть способность веществ к намагничиванию.

Магнитные свойства веществ

Все вещества в окружающей нас природе в той или иной мере обладают магнитными свойствами. Еще в глубокой древности была известна удивительная способность некоторых минералов притягивать железные предметы. Среди многочисленных навигационных приборов, необходимых для прокладывания курса корабля или самолета, обязательно присутствует магнитный компас.

В точнейших измерительных приборах к числу основных деталей относятся постоянные магниты. Известно, что сильными магнитными свойствами обладает не только железо. Сюда входят кобальт, никель, сплавы на их основе и некоторые редкоземельные элементы. Все эти вещества и сплавы называют ферромагнетиками. Объединяет их способность к самопроизвольной спонтанной намагниченности.

Это свойство ферромагнетиков используют при создании постоянных магнитов. Наличие в атомах вещества нескомпенсированных магнитных моментов является необходимым условием возникновения ферромагнетизма.

В опыте Эйнштейна по величине закручивания при намагничивании образца было доказано, что ферромагнетизм связан со спиновыми магнитными моментами электронов. Обменное взаимодействие электронов при определенных соотношениях диаметра атома и внутренней незаполненной оболочки приводят к параллельной ориентации спинов.

Она возможна только при положительном значении интеграла обменной энергии.

В конечном счете, в ферромагнетике устанавливается такая ориентация спинов, которая обеспечивает минимальное значение суммы энергий магнитного и обменного взаимодействия.

Область с однородной спонтанной намагниченностью называют доменом. Энергетически наиболее выгодно такое расположение доменов, при котором они создают замкнутую магнитную цепь.

Между соседними доменами с различным направлением намагниченности имеются переходные слои, называемые границами или стенками домена. В них происходит постепенный поворот вектора намагниченности.

Ферромагнитные свойства у веществ существуют только в определенной области температуры. Температура, при которой ферромагнетики полностью теряют ферромагнитные свойства, называют точкой Кюри. Форму и величину доменов на поверхности ферромагнетика можно увидеть под микроскопом

В элементарной кристаллической ячейке железа ребра куба соответствуют направлению наиболее легкого намагничивания кристалла железа. Диагонали граней определяют направление среднего намагничивания.

Направление наиболее трудного намагничивания совпадает с диагоналями куба. Площадь на графике характеризует энергию магнитной анизотропии.

При отсутствии внешнего поля магнитные моменты доменов ориентированы по направлениям легкого намагничивания. В целом образец размагничен.

В слабых полях происходит рост доменов, направление намагниченности которых составляет меньший угол с направлением внешнего поля.

Этот процесс обратим. Если внешнее поле убрать, образец размагнитится. При увеличении внешнего поля происходит дальнейший рост доменов, который приостанавливается из-за дефектов кристалла. Когда поле достигает определенной величины, стенки растущих доменов скачком преодолевают препятствие. За счет этого препятствия кривая намагниченности имеет ступенчатый характер.

Скачкообразные изменения намагниченности создают в катушке соленоида импульсы напряжения. С дальнейшим увеличением поля вектор намагниченности поворачивается от оси легкого намагничивания в сторону внешнего поля, пока они не совпадут.

Гистерезис

Этот участок называют областью технического насыщения ферромагнетика, а соответствующую величину поля, полем насыщения. Если от этой величины поле уменьшить до нуля, в образце сохранится остаточное намагничивание.

Гистерезис – это явление отставания намагниченности от напряженности внешнего поля. Замыкающие домены, создавая замкнутую магнитную цепь, снижают поля рассеивания и уменьшают свободную энергию образца.

Его определяют, как разность величин магнитного насыщения ферромагнетика и намагниченности замыкающих доменов. Чтобы размагнитить образец, необходимо приложить к нему отрицательное поле, называемое коэрцитивной силой. Когда поле достигнет величины насыщения, произойдет полное перемагничивание ферромагнетика.

На графике можно определить еще одно свойство, которое имеет гистерезис. При очередном изменении поля кривая намагничивания замыкает петлю, которую называют петлей гистерезиса.

Гистерезисная петля для условия насыщения называется предельной петлей. Ее площадь пропорциональна потерям энергии на перемагничивание образца. Ферромагнетики намагничиваясь, изменяют свои линейные размеры. Это явление называют магнитострикцией.

Выделяются две основные группы ферромагнитных материалов:
  1. Магнитотвердые.
  2. Магнитомягкие.

Одно из основных требований к магнитомягким материалам – их высокая коэрцитивная сила. Магнитомягкие материалы намагничиваются до насыщения при небольших полях и имеют малые потери на перемагничивание. От этих параметров зависит потеря энергии трансформатора.

Например, в линии электропередач мощностью 100 х 106 ВА с трансформаторами на концах, ежегодные потери составляют около 5 миллионов киловатт-часов. Одним из лучших представителей магнитомягких материалов считают пермаллой – сплав железа и никеля. Намагниченность пермаллоя в слабых полях в десятки раз превосходит намагниченность железа. Магнитные упорядоченные структуры в некоторых веществах отличаются от магнитной структуры ферромагнетиков.

Если в железе, кобальте и никеле спиновые магнитные моменты направлены параллельно, то в хроме и марганце – антипараллельно. Такие вещества называют антиферромагнетиками.

В данном случае магнитные подрешетки с самопроизвольной намагниченностью компенсированы. Если в кристаллах вещества нет полной компенсации магнитных подрешеток, то его называют ферримагнетиком. Феррит – один из примеров ферримагнетиков, который широко используют в технике. Структура ферритов подобна структуре минералов шпинели, в котором ионы неферромагнитных металлов заменены ферромагнитными.

Гистерезис в электротехнике и электронике

Из многообразия примеров использования ферромагнитных материалов расскажем о применении их в запоминающих устройствах. Для оперативного запоминания информации используют память на ферритовых кольцах. Одного ферритового сердечника достаточно для запоминания одного бита информации. В качестве долговременных запоминающих устройств большой емкости служат специальные магнитные диски (триггеры Шмидта).

Также он используется в специальных гистерезисных электромоторах, устройствах шумоподавления (дребезг контактов, колебания и т.д.) при коммутации логических схем.

Во многих электронных устройствах существует тепловой гистерезис. Во время работы приборы нагреваются, а после охлаждения некоторые свойства уже не принимают начальные значения. При нагреве микросхемы, печатной платы, кристаллы полупроводников расширяются, появляется механическое напряжение. При охлаждении это напряжение в какой-то мере остается.

Похожие темы:

Определение понятия гистерезиса — особенности, применения в котлах

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.

Блок: 1/5 | Кол-во символов: 289
Источник: https://meanders.ru/chto-takoe-magnitnyj-gisterezis-krivye-magnitnogo-namagnichivanija.shtml

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:

  • 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.

Блок: 2/6 | Кол-во символов: 839
Источник: https://www.asutpp.ru/gisterezis.html

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:

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.

Блок: 2/5 | Кол-во символов: 2039
Источник: https://meanders.ru/chto-takoe-magnitnyj-gisterezis-krivye-magnitnogo-namagnichivanija.shtml

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:

  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.

Блок: 3/6 | Кол-во символов: 1799
Источник: https://www.asutpp.ru/gisterezis.html

Намагниченность или кривая B-H

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.

Блок: 3/5 | Кол-во символов: 1632
Источник: https://meanders.ru/chto-takoe-magnitnyj-gisterezis-krivye-magnitnogo-namagnichivanija.shtml

В электронике и электротехнике

В электронике и электротехнике используются устройства, обладающие магнитным гистерезисом — различные магнитные носители информации, или электрическим гистерезисом, например, триггер Шмитта или гистерезисный двигатель.

Гистерезис используется для подавления шумов (быстрых колебаний, дребезга контактов) в момент переключения логических сигналов.

В электронных приборах всех видов наблюдается явление теплового гистерезиса: после нагрева прибора и его последующего охлаждения до начальной температуры его параметры не возвращаются к начальным значениям. Из-за неодинакового теплового расширения кристаллов полупроводников, кристаллодержателей, корпусов микросхем и печатных плат в кристаллах возникают механические напряжения, которые сохраняются и после охлаждения. Явление теплового гистерезиса наиболее заметно в прецизионных источниках опорного напряжения, используемых в измерительных аналого-цифровых преобразователях. В современных микросхемах относительный сдвиг опорного напряжения вследствие теплового гистерезиса составляет порядка 10—100 ppm.

Блок: 3/13 | Кол-во символов: 1088
Источник: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%B7%D0%B8%D1%81

Гистерезис в разных материалах

Гистерезис – это комплексное понятие

, характеризующее способность вещества накапливать энергию магнитного поля или другой величины за счет имеющихся магнитных связей между молекулами вещества или особенностей работы системы. Но таким эффектом могут обладать не только сплавы железа, кобальта и никеля. Титанат бария даст несколько иной результат, если его поместить в поле с определенной напряженностью.

Так как он является сегнетоэлектриком, то в нем наблюдается диэлектрический гистерезис. Обратная петля гистерезиса образуется при противоположной полярности подводимого к среде напряжения, а величина противоположного поля, действующего на материал, получило название коэрцитивная сила.

При этом величина поля может предшествовать разным напряженностям, что связано с особенностями фактического состояния диполей – магнитных моментов после прошлого намагничивания. Также на процесс влияют различные примеси, содержащиеся в составе материала. Чем их больше, тем труднее сдвинуть стенки диполей, поэтому остается так называемая остаточная намагниченность.

Блок: 4/7 | Кол-во символов: 1088
Источник: https://instrument.guru/elektronika/opredelenie-ponyatiya-gisterezisa-osobennosti-primeneniya-v-kotlah.html

Другие свойства

Кроме магнитного гистерезиса, также различают гальвономагнитный и магнитострикционный эффекты. В этих процессах наблюдается изменение электрического сопротивления за счет механической деформации материала. Сегнетоэлектрики под действием деформационных сил способны вырабатывать электрический ток, что объясняется пьезоэлектрическим гистерезисом. Также существует понятие электрооптического и двойного диэлектрического гистерезиса. Последний процесс имеет обычно наибольший интерес, так как сопровождается двойным графиком в зонах, приближающихся к точкам насыщения.

Блок: 6/7 | Кол-во символов: 582
Источник: https://instrument.guru/elektronika/opredelenie-ponyatiya-gisterezisa-osobennosti-primeneniya-v-kotlah.html

Механизм возникновения петли гистерезиса

Для подробного изучения этого процесса нужно проанализировать отдельные участки кривой, обозначающей изменение индукции. Описание основных этапов:

  1. сначала наблюдается смещение границ между соседними доменами;
  2. далее ориентация моментов изменяется быстро в направлении силовых линий внешнего поля;
  3. на этой стадии новое расположение границ становится необратимым;
  4. этот участок характеризуется ростом отдельных доменов до максимального размера, магнитные моменты располагаются в точном соответствии линиям воздействующего поля;
  5. завершающий участок показывает отсутствие влияния на магнитные моменты напряженности, созданной соленоидом.

Если уменьшить силовые параметры внешнего поля, образуется петля гистерезиса что это такое показывать можно на первой картинке (по направлению стрелок). Следует обратить внимание, что кривые отличаются. Запаздывание индукции соответствует базовым принципам явления. При нулевой напряженности B≠0. Эту величину называют остаточной индукцией. Данная особенность объясняет понятный процесс создания постоянного магнита. Сердечник сохраняет соответствующие свойства даже после отключения источника питания.

Намагниченность можно убрать повешением температуры до уровня точки Кюри определенного материала. Аналогичный результат получают с помощью соответствующего внешнего силового поля (-Hc). Эта напряженность создает коэрцитивную силу, достаточную для размагничивания сердечника из стали либо другого ферромагнетика. Завершенный полностью цикл называют петлей магнитного гистерезиса.

Блок: 5/9 | Кол-во символов: 1555
Источник: https://amperof.ru/teoriya/petlya-gisterezisa.html

Применение гистерезиса в электротехнике и электронике

Намагниченность материалов и особенности переходных процессов следует учитывать при создании двигателей и трансформаторов. При эксплуатации этого оборудования в цепях переменного тока часть потребляемого электричества необходимо использовать для перемагничивания установленного сердечника. Аналогичные явления наблюдаются при работе коммутационных аппаратов. Изучение гистерезиса помогает увеличить КПД силовых машин и преобразователей напряжения, обеспечить необходимую скорость переключения реле.

Триггер Шмидта

На рисунке показана передаточная характеристика триггера Шмидта. Изменение выходного сигнала с определенным запаздыванием применяют для устранения ошибок при передаче информации. Обычный инвертор реагирует на импульсные помехи немедленным переключением. В данном случае временная задержка выполняет полезные функции фильтра. Она помогает корректно воспринимать управляющие сигналы в сложных условиях эксплуатации.

Такие решения применяют в электронике для исключения проблем при дребезге контактов. Расчетное замедление рабочих реакций можно пояснить с помощью типового терморегулятора. Если такое устройство создано без гистерезиса, переключения будут выполняться слишком часто. Однако в реальных условиях (отопление помещения) вполне достаточна точность ±3°C. Увеличив ширину петли, можно установить оптимальный диапазон для поддержания заданного температурного режима.

Блок: 6/9 | Кол-во символов: 1440
Источник: https://amperof.ru/teoriya/petlya-gisterezisa.html

Использование графического изображения гистерезиса для расчётов

Для наглядного эксперимента можно собрать простую схему, представленную ниже:

  • резистором R1 ограничивают переменный ток, проходящий через обмотку катушки;
  • с элемента R2 снимают напряжение для формирования картинки на экране осциллографа;
  • емкость конденсатора подбирают таким образом, чтобы 1/(w*С) получилось намного меньше R3.

Эксперимент

После подключения к осциллографу на экране можно наблюдать петлю гистерезиса. Это изображение с учетом реального масштаба можно использовать для расчетов и оценки характеристик созданной катушки. В следующем списке приведено соответствие отдельных отрезков рассмотренным выше параметрам:

  • ОА – коэрцитивная сила;
  • ОС – остаточная индукция;
  • ОД – индукция насыщения;
  • ОВ – магнитное поле.

К сведению. По установленной площади петли можно определить потери. Размер этой области соответствует работе, которая затрачена на компенсацию коэрцитивных сил. Эта энергия разогревает ферромагнетик и фактически расходуется впустую.

Блок: 7/9 | Кол-во символов: 1022
Источник: https://amperof.ru/teoriya/petlya-gisterezisa.html

Гистерезис в отоплении

Гистерезис определение относится не только к ферромагнетикам, применяемым в электронике. Такой процесс может происходить и в термодинамике. Например, при организации отопления от газового или электрического котла. Регулирующим компонентом в системе является терморегулятор. Но только контролируемой величиной является температура воды в системе.

При ее снижении до заданного уровня котел включается, начиная подогрев до заданной величины. После чего выключается и процесс повторяется в цикле. Если снять показания температуры при нагреве и остывании системы при каждом цикле включения и выключения отопления, то получиться график в виде петли гистерезиса, который и получил название гистерезис котла.

В таких системах гистерезис выражается в температуре. Например, если он составляет 4°С, а температура теплоносителя установлена 18°С, то котел выключится, когда она достигнет значения 22°С. Таким образом, можно настроить любой приемлемый температурный режим в помещениях. А терморегулятор является, по сути, датчиком температуры или термостатом, который включает или выключает отопления при достижении нижнего и верхнего порога, соответственно.

Блок: 7/7 | Кол-во символов: 1169
Источник: https://instrument.guru/elektronika/opredelenie-ponyatiya-gisterezisa-osobennosti-primeneniya-v-kotlah.html

Площадь магнитного гистерезиса

Материалы с магнитными свойствами разделяют на две группы по ширине петли гистерезиса. Магнитомягкие (узкий график) отличаются сравнительно небольшой коэрцитивной силой и соответствующими меньшими энергетическими затратами. Такие изделия применяют для изготовления электродвигателей, приводов, трансформаторов напряжения.

Магнитомягкие и магнитотвердые материалы

Магнитотвердые отличаются увеличенным временем реакции на воздействие внешним полем. Эти материалы используют для создания микросхем памяти, постоянных магнитов.

Блок: 8/9 | Кол-во символов: 556
Источник: https://amperof.ru/teoriya/petlya-gisterezisa.html

Видео

Блок: 9/9 | Кол-во символов: 6
Источник: https://amperof.ru/teoriya/petlya-gisterezisa.html

Кол-во блоков: 27 | Общее кол-во символов: 22220
Количество использованных доноров: 7
Информация по каждому донору:
  1. https://www.asutpp.ru/gisterezis.html: использовано 2 блоков из 6, кол-во символов 2638 (12%)
  2. https://amperof.ru/teoriya/petlya-gisterezisa.html: использовано 6 блоков из 9, кол-во символов 5605 (25%)
  3. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%B7%D0%B8%D1%81: использовано 1 блоков из 13, кол-во символов 1088 (5%)
  4. https://wiki2.org/ru/%D0%93%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%B7%D0%B8%D1%81: использовано 1 блоков из 13, кол-во символов 541 (2%)
  5. https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrotehnika/gisterezis/: использовано 1 блоков из 2, кол-во символов 5549 (25%)
  6. https://instrument.guru/elektronika/opredelenie-ponyatiya-gisterezisa-osobennosti-primeneniya-v-kotlah.html: использовано 3 блоков из 7, кол-во символов 2839 (13%)
  7. https://meanders.ru/chto-takoe-magnitnyj-gisterezis-krivye-magnitnogo-namagnichivanija.shtml: использовано 3 блоков из 5, кол-во символов 3960 (18%)

описание, свойства, практическое применение. Гистерезис в электротехнике

ГИСТЕРЕЗИС (от греческого?στ?ρησις — отставание, запаздывание), запаздывание изменения физической величины, характеризующей состояние вещества, от изменения другой физической величины, определяющей внешние условия. Гистерезис имеет место в тех случаях, когда состояние тела в данный момент времени определяется внешними условиями не только в тот же, но и в предшествующие моменты времени. В результате для циклического процесса (рост и уменьшение внешнего воздействия) получается петлеобразная (неоднозначная) диаграмма, которая называется петлёй гистерезиса. Возникает гистерезис в различных веществах и при разных физических процессах. Наибольший интерес представляют магнитный, сегнетоэлектрический и упругий гистерезис.

Магнитный гистерезис — неоднозначная зависимость намагниченности М магнитоупорядоченного вещества (магнетика, например, ферро- или ферримагнетика) от внешнего магнитного поля Н при его циклическом изменении (увеличении и уменьшении). Причиной существования магнитного гистерезиса является наличие в определённом интервале изменения Н среди состояний магнетика, отвечающих минимуму термодинамического потенциала, метастабильных состояний (наряду со стабильными) и необратимых переходов между ними. Магнитный гистерезис можно также рассматривать как проявление магнитных ориентационных фазовых переходов 1-го рода, для которых прямой и обратный переходы между фазами в зависимости от Н происходят, в силу указанной метастабильности состояний, при различных значениях Н.

На рисунке 1 схематически показана типичная зависимость М от Н в ферромагнетике; из состояния М = 0 при Н = 0 с увеличением Н значение М растёт (основная кривая намагничивания, а) и в достаточно сильном поле Н ≥ H m М становится практически постоянной и равной намагниченности насыщения M s . При уменьшении Н от значения Н m намагниченность изменяется вдоль ветви б и при Н = 0 принимает значение М = M R (остаточная намагниченность). Для размагничивания вещества (М = 0) необходимо приложить обратное поле Н = -Н с, называемое коэрцитивной силой. Далее при Н = -Н m образец намагничивается до насыщения (М = -M s) в обратном направлении. При изменении Н от -Н m до +Н m намагниченность изменяется вдоль кривой в. Ветви б и в, получающиеся при изменении Н от +Н m до -H m и обратно, образуют замкнутую кривую, называемую максимальной (или предельной) петлёй гистерезиса. Ветви б и в называются, соответственно, нисходящей и восходящей ветвями петли гистерезиса. При изменении Н на отрезке [-Н 1 , Н 1 ] с Н 1

Описанные петли гистерезиса характерны для достаточно медленных (квазистатических) процессов перемагничивания. Отставание М от Н при намагничивании и размагничивании приводит к тому, что энергия, приобретаемая магнетиком при намагничивании, не полностью отдаётся при размагничивании. Теряемая за один цикл энергия определяется площадью петли гистерезиса. Эти потери энергии называются гистерезисными. При динамическом перемагничивании образца переменным магнитным полем Н~ петля гистерезиса оказывается шире статической вследствие того, что к квазиравновесным гистерезисным потерям добавляются динамические, которые могут быть связаны с вихревыми токами (в проводниках) и релаксационными явлениями.

Форма петли гистерезиса и наиболее важные характеристики магнитного гистерезиса (гистерезисные потери, Н с, M R и др.) зависят от химического состава вещества, его структурного состояния и температуры, от характера и распределения дефектов в образце, а следовательно, от технологии его приготовления и последующих физических обработок (тепловой, механической, термомагнитной и др.). С магнитным гистерезисом связано гистерезисное поведение целого ряда других физических свойств, например гистерезис магнитострикции, гистерезис гальваномагнитных и магнитооптических явлений и так далее.

Сегнетоэлектрический гистерезис — неоднозначная зависимость величины вектора электрической поляризации Р сегнетоэлектриков от напряжённости Е внешнего электрического поля при циклическом изменении последнего. Сегнетоэлектрики обладают в определённом температурном интервале спонтанной (т. е. самопроизвольной, возникающей в отсутствие внешнего поля) поляризацией Р сп. Направление поляризации может быть изменено электрическим полем, при этом значение Р при данном Е зависит от предыстории, т. е. от того, каким было электрическое поле в предшествующие моменты времени. Сегнетоэлектрический гистерезис имеет вид характерной петли (петля гистерезиса), основными параметрами которой являются остаточная поляризация Р ост при Е= 0 и коэрцитивное поле Е к, при котором происходит изменение направления (переключение) вектора Р сп. Для совершенных монокристаллов петля гистерезиса имеет форму, близкую к прямоугольной, и Р ОСТ = Р СП. В реальных кристаллах остаточная поляризация меньше спонтанной из-за разбиения кристалла на домены.

Существование сегнетоэлектрического гистерезиса следует из феноменологической теории сегнетоэлектрических явлений, в соответствии с которой равновесным значениям Р сп при любой температуре ниже температуры сегнетоэлектрического фазового перехода отвечают два симметричных минимума термодинамического потенциала, разделённые потенциальным барьером. При Е= + Е к один из минимумов исчезает, и кристалл оказывается в состоянии с определённым направлением вектора Р сп. При циклическом переключении спонтанной поляризации площадь петли гистерезиса определяет гистерезисные потери — количество энергии электрического поля, переходящей в теплоту. Величина коэрцитивного поля связана также с процессами зарождения и эволюции в электрическом поле сегнетоэлектрических доменов — областей кристалла с выделенным электрическим полем направлением вектора спонтанной поляризации.

Упругий гистерезис — неоднозначная зависимость механического напряжения от деформации упругого тела при циклическом приложении и снятии нагрузки. График зависимости напряжения σ от деформации ε отличается от отрезка прямой линии, соответствующей закону Гука, и представляет собой петлю гистерезиса (рис. 2).

Площадь этой петли пропорциональна механической энергии, которая рассеялась (превратилась в теплоту) во время цикла.

Появление упругого гистерезиса в металлах связано с тем, что в некоторых зёрнах поликристалла микронапряжения существенно превышают средние напряжения в образце, что приводит к появлению пластических деформаций и тем самым к рассеянию механической энергии. В некоторых случаях вклад в упругий гистерезис дают электромагнитные явления.

Упругий гистерезис как проявление отличия реального упругого тела от идеально упругого наблюдается у всех твёрдых тел, даже при весьма низких температурах. Упругий гистерезис является причиной затухания свободных колебаний упругих тел, затухания в них звука, уменьшения коэффициента восстановления при неупругом ударе и др. В общем случае отклонение упругости от идеальной включается в понятие внутреннего трения.

Лит.: Ильюшин А. А., Ленский В. С. Сопротивление материалов. М., 1959; Постников В. С. Внутреннее трение в металлах. 2-е изд. М., 1974. Вонсовский С. В. Магнетизм. М., 1984; Филиппов Б. Н., Танкеев А. П. Динамические эффекты в ферромагнетиках с доменной структурой. М., 1987; Струков Б. А., Леванюк А. П. Физические основы сегнетоэлектрических явлений в кристаллах. М., 1995.

Б. Н. Филиппов, Б. А. Струков, В. Н. Кузнецов.

Любой электромагнитный сердечник после действия электрического тока какое-то время сохраняет магнитное поле (остаточный магнетизм). Эта величина зависит от свойств материала, но остаточный магнетизм всегда имеется. Чтобы перемагнитить сердечник, необходим магнитный поток обратного направления. Изменение магнитной индукции не успевает за изменением магнитного потока. Эта задержка по времени намагничивания сердечника из-за изменения направления магнитных потоков и именуется как гистерезис.

Чтобы понять всю сущность этого явления, необходимо рассмотреть способность веществ к намагничиванию.

Магнитные свойства веществ

Все вещества в окружающей нас природе в той или иной мере обладают магнитными свойствами. Еще в глубокой древности была известна удивительная способность некоторых минералов притягивать железные предметы. Среди многочисленных навигационных приборов, необходимых для прокладывания курса корабля или самолета, обязательно присутствует магнитный компас.

В точнейших измерительных приборах к числу основных деталей относятся постоянные магниты. Известно, что сильными магнитными свойствами обладает не только железо. Сюда входят кобальт, никель, сплавы на их основе и некоторые редкоземельные элементы. Все эти вещества и сплавы называют ферромагнетиками. Объединяет их способность к самопроизвольной спонтанной намагниченности.

Это свойство ферромагнетиков используют при создании постоянных магнитов. Наличие в атомах вещества нескомпенсированных магнитных моментов является необходимым условием возникновения ферромагнетизма.

В опыте Эйнштейна по величине закручивания при намагничивании образца было доказано, что ферромагнетизм связан со спиновыми магнитными моментами электронов. Обменное взаимодействие электронов при определенных соотношениях диаметра атома и внутренней незаполненной оболочки приводят к параллельной ориентации спинов.

Она возможна только при положительном значении интеграла обменной энергии.

В конечном счете, в ферромагнетике устанавливается такая ориентация спинов, которая обеспечивает минимальное значение суммы энергий магнитного и обменного взаимодействия.

Область с однородной спонтанной намагниченностью называют доменом. Энергетически наиболее выгодно такое расположение доменов, при котором они создают замкнутую магнитную цепь.

Между соседними доменами с различным направлением намагниченности имеются переходные слои, называемые границами или стенками домена. В них происходит постепенный поворот вектора намагниченности.

Ферромагнитные свойства у веществ существуют только в определенной области температуры. Температура, при которой ферромагнетики полностью теряют ферромагнитные свойства, называют точкой Кюри. Форму и величину доменов на поверхности ферромагнетика можно увидеть под микроскопом

В элементарной кристаллической ячейке железа ребра куба соответствуют направлению наиболее легкого намагничивания кристалла железа. Диагонали граней определяют направление среднего намагничивания.

Направление наиболее трудного намагничивания совпадает с диагоналями куба. Площадь на графике характеризует энергию магнитной анизотропии.

При отсутствии внешнего поля магнитные моменты доменов ориентированы по направлениям легкого намагничивания. В целом образец размагничен.

В слабых полях происходит рост доменов, направление намагниченности которых составляет меньший угол с направлением внешнего поля.

Этот процесс обратим. Если внешнее поле убрать, образец размагнитится. При увеличении внешнего поля происходит дальнейший рост доменов, который приостанавливается из-за дефектов кристалла. Когда поле достигает определенной величины, стенки растущих доменов скачком преодолевают препятствие. За счет этого препятствия кривая намагниченности имеет ступенчатый характер.

Скачкообразные изменения намагниченности создают в катушке соленоида импульсы напряжения. С дальнейшим увеличением поля вектор намагниченности поворачивается от оси легкого намагничивания в сторону внешнего поля, пока они не совпадут.

Гистерезис

Этот участок называют областью технического насыщения ферромагнетика, а соответствующую величину поля, полем насыщения. Если от этой величины поле уменьшить до нуля, в образце сохранится остаточное намагничивание.

Гистерезис – это явление отставания намагниченности от напряженности внешнего поля. Замыкающие домены, создавая замкнутую магнитную цепь, снижают поля рассеивания и уменьшают свободную энергию образца.

Его определяют, как разность величин магнитного насыщения ферромагнетика и намагниченности замыкающих доменов. Чтобы размагнитить образец, необходимо приложить к нему отрицательное поле, называемое коэрцитивной силой. Когда поле достигнет величины насыщения, произойдет полное перемагничивание ферромагнетика.

На графике можно определить еще одно свойство, которое имеет гистерезис. При очередном изменении поля кривая намагничивания замыкает петлю, которую называют петлей гистерезиса.

Гистерезисная петля для условия насыщения называется предельной петлей. Ее площадь пропорциональна потерям энергии на перемагничивание образца. Ферромагнетики намагничиваясь, изменяют свои линейные размеры. Это явление называют магнитострикцией.

Выделяются две основные группы ферромагнитных материалов:

  1. Магнитотвердые.
  2. Магнитомягкие.

Одно из основных требований к магнитомягким материалам – их высокая коэрцитивная сила. Магнитомягкие материалы намагничиваются до насыщения при небольших полях и имеют малые потери на перемагничивание. От этих параметров зависит потеря энергии трансформатора.

Например, в линии электропередач мощностью 100 х 10 6 ВА с трансформаторами на концах, ежегодные потери составляют около 5 миллионов киловатт-часов. Одним из лучших представителей магнитомягких материалов считают пермаллой – сплав железа и никеля. Намагниченность пермаллоя в слабых полях в десятки раз превосходит намагниченность железа. Магнитные упорядоченные структуры в некоторых веществах отличаются от магнитной структуры ферромагнетиков.

Если в железе, кобальте и никеле спиновые магнитные моменты направлены параллельно, то в хроме и марганце – антипараллельно. Такие вещества называют антиферромагнетиками.

В данном случае магнитные подрешетки с самопроизвольной намагниченностью компенсированы. Если в кристаллах вещества нет полной компенсации магнитных подрешеток, то его называют ферримагнетиком. Феррит – один из примеров ферримагнетиков, который широко используют в технике. Структура ферритов подобна структуре минералов шпинели, в котором ионы неферромагнитных металлов заменены ферромагнитными.

Гистерезис в электротехнике и электронике

Из многообразия примеров использования ферромагнитных материалов расскажем о применении их в запоминающих устройствах. Для оперативного запоминания информации используют память на ферритовых кольцах. Одного ферритового сердечника достаточно для запоминания одного бита информации. В качестве долговременных запоминающих устройств большой емкости служат специальные магнитные диски (триггеры Шмидта).

Также он используется в специальных гистерезисных электромоторах, устройствах шумоподавления (дребезг контактов, колебания и т.д.) при коммутации логических схем.

Во многих электронных устройствах существует тепловой гистерезис. Во время работы приборы нагреваются, а после охлаждения некоторые свойства уже не принимают начальные значения. При нагреве микросхемы, печатной платы, кристаллы полупроводников расширяются, появляется механическое напряжение. При охлаждении это напряжение в какой-то мере остается.

Петля гистерезиса. При циклическом изменении напряженности постоянного магнитного поля от 0 до +Н, от +Н до –Н и снова от –Н до +Н кривая изменения индукции (кривая перемагничивания) имеет форму замкнутой кривой – петли гистерезиса. Для слабых полей петля имеет вид эллипса. При увеличении значения напряженности магнитного поля Н получают серию заключенных одна в другую петель гистерезиса. Когда все векторы намагниченности доменов сориентируются вдоль направления поля, процесс намагничивания закончится состоянием технического насыщения намагниченности материала. Петлю гистерезиса, полученную при условии насыщения намагничивания, называют предельной петлей гистерезиса. Она характеризуется максимально достигнутым значением индукции Bs, называется индукцией насыщения. При уменьшении напряженности магнитного поля от +Н до 0 магнитная индукция сохраняет остаточную индукцию Вс. Чтобы получить остаточную магнитную индукцию, равную 0, необходимо приложить противоположно направленное размагничивающее поле определенной напряженности -Нс. Отрицательная напряженность магнитного поля -Нс называется коэрцитивной силой материала. При достижении напряженности магнитного поля значения –Н, а затем 0 вновь возникает остаточная индукция –Вс. Если повысить напряженность магнитного поля до +Нс, то остаточная магнитная индукция Вс будет равна 0. Площадь гистерезисных петель в промежуточных и предельных состояниях характеризует рассеивание электрической энергии в процессе перемагничивания материала, т.е. потери на гистерезис. Площадь гистерезисной петли зависит от свойств материала, его геометрических размеров и частоты перемагничивания. По предельной петле гистерезиса определяют такие характеристики магнитных материалов, как индукцию насыщения Bs, остаточную индукцию Вс, коэрцитивную силу Нс.

Кривая намагничивания

Кривая намагничивания. Это важнейшая характеристика магнитных материалов, она показывает зависимость намагниченности или магнитной индукции материала от напряженности внешнего поля Н. Магнитная индукция материала Bi измеряется в теслах (Тл) и связана с намагниченностью. Основная (коммутационная) кривая намагничивания представляет собой геометрическое место вершин петель гистерезиса, полученных при циклическом перемагничивании и отражает изменение магнитной индукции В в зависимости от напряженности магнитного поля Н, которое создается в материале при намагничивании. Напряженность магнитного поля в образце в виде тороида, когда магнитная цепь замкнута, равна напряженности внешнего поля Нв. В разомкнутой магнитной цепи на концах образца появляются магнитные полюса, создающие размагничивающее поле Нр. Разница между магнитными напряженностями внешнего и размагничивающего полей определяют внутреннюю магнитную напряженность Hi материала. Основная кривая намагничивания имеет ряд характерных участков, которые можно условно выделить при намагничивании монокристалла ферромагнетика. Первый участок кривой намагничивания соответствует процессу смещения границ менее благоприятно ориентированных доменов. На втором участке происходит поворот векторов намагниченности доменов в направлении внешнего магнитного поля. Третий участок соответствует парапроцессу, т.е. завершающему этапу процесса намагничивания, когда сильное магнитное поле поворачивает в направлении своего действия не сориентированные магнитные моменты доменов ферромагнетика.

Гистерезис в общем понятии (от греческого – отстающий) — это свойство определенных физических, биологических и иных систем, которые реагируют на соответствующие воздействия с учетом текущего состояния, а также предыстории.

Гистерезис характерен т.н. «насыщением», и различными траекториями соответствующих графиков, отмечающих состояние системы в данный момент времени. Последние, в итоге, имеют форму остроугольной петли.

Если же рассматривать конкретно электротехнику, то каждый электромагнитный сердечник после окончания воздействия электрического тока в течение некоторого времени сохраняет собственное магнитное поле, называемое остаточным магнетизмом.

Его величина зависит, прежде всего, от свойств материала: у закаленной стали она существенно выше, чем у мягкого железа.

Но, в любом случае, явление остаточного магнетизма всегда присутствует при перемагничивании сердечника, когда необходимо размагнитить его до нуля, а затем изменить полюс на противоположный.

Любое изменение направления тока в обмотке электромагнита предусматривает (из-за наличия вышеуказанных свойств материала) предварительное размагничивание сердечника. Только после этого он может поменять свою полярность — это известный закон физики.

Для перемагничивания в обратном направлении необходим соответствующий магнитный поток.

Другими словами: изменение сердечника не «поспевает» за соответствующими изменениями магнитного потока, которое оперативно создает обмотка.

Вот эта временная задержка намагничивания сердечника от изменений магнитных потоков и получило название в электротехнике как гистерезис.

Каждое перемагничивание сердечника предусматривает избавление от остаточного магнетизма путем воздействия противонаправленным магнитным потоком. На практике это приводит к определенным потерям электроэнергии, которые тратятся на преодоление «неправильной» ориентации молекулярных магнитиков.

Последние проявляются в виде выделения тепла, и представляют так называемые затраты на гистерезис.

Таким образом, стальные сердечники, например, статоров или якорей электродвигателей или генераторов, а также , должны иметь по возможности наименьшую корреляционную силу . Это позволит снизить гистерезисные потери, повысив в итоге КПД соответствующего электрического агрегата или прибора.

Сам процесс намагничивания определяется соответствующим графиком – так называемой петлей гистерезиса. Она представляет замкнутую кривую, отображающую зависимость скорости намагничивания от изменения динамики напряженности внешнего поля.

Большая площадь петли подразумевает, соответственно, и большие затраты на перемагничивание.

Также практически во всех электронных приборах наблюдается и такое явление, как тепловой гистерезис – невозвращение после прогрева аппаратуры к изначальному состоянию.

В и явление гистерезиса используется в различных магнитных носителях информации (например, триггерах Шмидта), или в специальных гистерезисных электродвигателях.

Широкое распространение этот физический эффект нашел также в различных устройствах, предназначенных для подавления различных шумов (дребезг контактов, быстрые колебания и т. п.) в процессе переключения логических схем.

Биологические и физические системы способны мгновенно откликаться на приложенное к ним воздействие. Если рассмотреть это явление на временной оси координат, то становится заметно, что отклик зависит от предыстории системы и ее текущего состояния. График, который наглядно демонстрирует это свойство систем, получил название петли гистерезиса, которая отличается остроугольной формой.

Оригинальная форма петли обусловлена эффектом насыщения и неравномерностью траектории между соседними расстояниями. Эффект гистерезиса имеет кардинальные отличия от инерционности, с которой его часто путают, забывая о том, что монотонное сопротивление существенно отличается от мгновенного сопротивления на воздействие.

Петля гистерезиса является циклом, в ходе которого часть свойств системы используются независимо от воздействий, а часть – отправляется на повторную проверку.

Явление гистерезиса в физике

В физике наиболее часто системы сталкиваются со следующими видами гистерезиса:

  • Магнитный – отражает зависимость между векторами напряжения магнитного поля и намагничивания в веществе. Это явление объясняет существование постоянных магнитов.
  • Сепнгетоэлектрический – зависимость между поляризацией сегнетоэлектриков и изменения внешнего электрического поля.
  • Упругий – зависимость деформации упругих материалов от воздействия высоких давлений. Это явление лежит в основе великолепных механических характеристик изделий из кованого метала.

Упругий гистерезис встречается двух основных видов – статический и динамический. В первом случае петля будет равномерной, во втором – постоянно меняющейся.

Применение гистерезиса в электронике

В электротехнике широко применяются устройства, в основе которых лежат магнитные взаимодействия. Наиболее распространение получили магнитные носители данных. Понимание гистерезиса необходимо для подавления в них шумов, таких как быстрые колебания или дребезжание контактов.

В большинстве электронных приборов наблюдается явление теплового гистерезиса. В процессе работы устройства нагреваются, а после охлаждения ряд характеристик уже не могут принять первоначальные явления.

Так, в процессе нагрева происходит расширение микросхем и печатных плат, полупроводниковых кристаллов. В результате развивается механическое напряжение, воздействие которого на элементы системы сохраняется после остывания. Особенно ярко тепловой гистерезис проявляется в высокоточных источниках опорного напряжения.

Что такое петля гистерезиса


Определение понятия

У слова «Гистерезис» греческие корни, оно переводится как запаздывающий или отстающий. Этот термин используется в разных сферах науки и техники. В общем смысле понятие гистерезис отличает различное поведение системы при противоположных воздействиях.

Это можно сказать и более простыми словами. Допустим есть какая-то система, на которую можно влиять в нескольких направлениях. Если при воздействии на неё в прямом направлении, после прекращения система не возвращается в исходное состояние, а устанавливается в промежуточном — тогда чтобы вернуть в исходное состояние нужно воздействовать уже в другом направлении с какой-то силой. В этом случае система обладает гистерезисом.

Иногда это явление используется в полезных целях, например, для создания элементов, которые срабатывают при определённых пороговых значениях воздействующих сил и для регуляторов. В других случаях гистерезис несёт пагубное влияние, рассмотрим это на практике.

Виды термореле на включение-выключение

Обычный терморегулятор на включение и выключение представляет собой компактный электронный блок, который крепится на стену в подходящем месте и соединяется с контролируемым оборудованием. Самый простой, а поэтому и самый доступный регулятор температуры имеет механическое управление.

Кроме того, все термореле делится на:

  1. Программируемые устройства контроля. Такие регуляторы подключаются к оборудованию как по проводному, так и по беспроводному принципу. Настройка реле производится через специальную программу или ЖК дисплей. Благодаря программному обеспечению можно настраивать реле на срабатывание в определенное время суток и года.
  2. Термореле с модулем беспроводного программирования GSM. Такие устройства могут быть как с одним, так и двумя термодатчиками.
  3. Автономные регуляторы с питанием от аккумуляторов. Такие установки, чаще всего, используют для контроля работы бытовой техники (например, холодильника), инкубаторов.

Гистерезис в электротехнике

В электротехнике гистерезис — это важная характеристика для материалов, из которых изготавливаются сердечники электрических машин и аппаратов. Прежде чем приступать к объяснениям, давайте рассмотрим кривую намагничивания сердечника.

Изображение на графике подобного вида называют также петлей гистерезиса.

Важно! В данном случае речь идет о гистерезисе феромагнетиков, здесь это нелинейная зависимость внутренней магнитной индукции материала от величины внешней магнитной индукции, которая зависит от предыдущего состояния элемента.

При протекании тока через проводник вокруг последнего возникает магнитное и электрическое поле. Если смотать провод в катушку и пропустить через него ток, то получится электромагнит. Если поместить внутрь катушки сердечник, то её индуктивность увеличится, как и силы, возникающие вокруг неё.

Отчего зависит гистерезис? Соответственно сердечник изготавливается из металла, от его типа зависят его характеристики и кривая намагничивания.

Если использовать, например, каленную сталь, то гистерезис будет шире. При выборе так называемых магнитомягких материалов — график сузится. Что это значит и для чего это нужно?

Дело в том, что при работе такой катушки в цепи переменного тока ток протекает то в одном, то в другом направлении. В результате и магнитные силы, полюса постоянно переворачивается. В катушке без сердечника это происходит в принципе одновременно, но с сердечником дела обстоят иначе. Он постепенно намагничивается, его магнитная индукция возрастает и постепенно доходит до почти горизонтального участка графика, который называется участком насыщения.

После этого, если вы начнете изменять направление тока и магнитного поля, сердечник должен будет перемагнитится. Но если просто отключить ток и тем самым убрать источник магнитного поля, сердечник все равно останется намагниченным, хоть и не так сильно. На следующем графике это точка «А». Чтобы его размагнитить до исходного состояния нужно создать уже отрицательную напряженность магнитного поля. Это точка «Б». Соответственно ток в катушке должен протекать в обратном направлении.

Значение напряженности магнитного поля для полного размагничивания сердечника называется коэрцитивной силой и чем она меньше, тем лучше в данном случае.

Перемагничивание в обратном направлении будет проходить аналогично, но уже по нижней ветви петли. То есть при работе в цепи переменного тока часть энергии будет затрачиваться на перемагничивание сердечника. Это ведёт к тому что КПД электродвигателя и трансформатора снижается. Соответственно это приводит к его нагреву.

Важно! Чем меньше гистерезис и коэрцитивная сила, тем меньше потери на перемагничивание сердечника.

Кроме выше описанного гистерезис характерен и для работы реле и других электромагнитных коммутационных приборов. Например, ток отключения и включения. Когда реле выключено, чтобы оно сработало нужно приложить определённый ток. При этом ток его удержания во включенном состоянии может быть намного ниже тока включения. Оно отключится только тогда, когда ток опустится ниже тока удержания.

Что такое термореле с регулировкой температуры

Термореле с регулировкой температуры – это электромеханический прибор, предназначенный для контроля температуры в неагрессивной среде. Регулировка температуры посредством устройства происходит благодаря способности реле размыкать и замыкать контакты электрической цепи, в соответствии с изменениями температурного режима.

Это позволяет использовать отопительные приборы только по их фактической необходимости.

Так, например, термореле с внешними теплочувствительными датчиками можно использовать для регулирования работы отопительной системы в зависимости от погодных условий. Регулятор будет включать отопительные приборы при понижении температуры на улице ниже заданной.

Кроме того, термореле можно использовать для:

  • Управления оборудованием для нагрева воды в системах автономного отопления и горячего водоснабжения;
  • Автономной работы “теплого пола”, водонагревательного котла;
  • Автоматизации систем кондиционирования в тепличном хозяйстве;
  • В автоматических системах отопления погреба и других складских и подсобных помещений.

Существует несколько видов термореле. В основном, устройства различаются по исполнению. При этом, их устройство остается практически неизменным. К основным конструктивным элементам термореле относят термочувствительный датчик и терморегулятор, подающий сигнал на включение или выключение приборов обогрева и кондиционирования. Информация о фактическом и заданном температурных режимах, обычно, выводится на цифровой дисплей устройства, а светодиодный индикатор сигнализирует о рабочем состоянии реле.

Как изготовить терморегулятор для инкубатора своими руками

Инкубатор – это незаменимая вещь в сельском хозяйстве, которая позволяет выводить птенцов в домашних условиях. Температуру инкубатора можно контролировать с помощью термореле. Термореле для инкубатора можно приобрести, а можно собрать самостоятельно из подручных материалов.

Существует два способа изготовления терморегулятора для инкубатора:

  • С использованием стабилитрона, тиристора и 4 диодов мощностью не менее 700 Вт. Регулировка температурного режима выполняться через переменный резистор с сопротивлением в диапазоне от 30 до 50 кОм. Датчиком температуры в данном приборе выступит транзистор, установленный в стеклянной трубке и размещенный на лотке с яйцами.
  • С использованием термостата. К корпусу термостата с помощью паяльника нужно будет прикрепить винт и связать его с контактами. Вращение винта будет регулировать температурные показатели.

Наиболее простым и доступным считается второй способ. Независимо от типа термореле, перед закладкой яиц, инкубатор необходимо прогреть, а самодельный терморегулятор настроить.

Гистерезисные потери

Во время динамического перемагничивания ферромагнетика переменным магнитным полем наблюдаются потери. Причем они составляют лишь малую долю от полных магнитных потерь. Если петли имеют одинаковую высоту (одинаковое максимальное значение намагниченности М), петля динамического вида оказывается шире статической. Происходит это вследствие того, что ко всем потерям добавляются новые. Это динамические потери, они обычно связаны с магнитной вязкостью. В сумме же получаются достаточно существенные потери на гистерезис.

Многодоменные ферромагнетики

В них кривая намагничивания строится по подобному образу, но вот процессы протекают иные. При перемагничивании происходит смещение границ доменов. Следовательно, одной из причин возникновения гистерезиса может являться задержка смещений границ, а также необратимые скачки. Иногда (если у ферромагнетиков довольно большое поле) гистерезис магнитный определяется задержкой роста и образования зародышей перемагничивания. Именно из этих зародышей образуется доменная структура ферромагнитных веществ.

Однодоменные ферромагнетики

В том случае, если частицы имеют различный размер, протекает процесс вращения. Происходит это по причине того, что образование новых доменов невыгодно с энергетической точки зрения. Но процессу вращения частиц мешает анизотропия (магнитная). Она может иметь разное происхождение — образовываться в самом кристалле, возникать вследствие упругого напряжения и т. д.). Но именно при помощи этой анизотропии намагниченность удерживается внутренним полем. Его еще называют эффективным полем магнитной анизотропии. И гистерезис магнитный возникает вследствие того, что намагниченность изменяется в двух направлениях — прямом и обратном. Во время перемагничивания однодоменных ферромагнетиков происходит несколько скачков. Вектор намагниченности М разворачивается в сторону поля Н. Причем поворот может быть однородным или неоднородным.

Особенности физического явления

Мы же остановимся именно на гистерезисе в электронной технике

, связанным с магнитными процессами в различных веществах. Он показывает, как себя ведет тот или другой материал в электромагнитном поле, а это тем самым позволяет строить графики зависимости и снимать какие-то показания сред, в которых находятся эти самые материалы. Например, этот эффект используется в работе терморегулятора.

Рассматривая более подробно понятие гистерезиса и эффект с ним связанный, можно заметить такую особенность. Вещество, обладающее такой особенностью, способно переходить в насыщение. То есть, это то состояние, при котором оно больше не способно накапливать в себе энергию. А при рассмотрении процесса на примере ферромагнитных материалов энергия выражается намагниченностью, которая возникает благодаря имеющейся магнитной связи между молекулами вещества. А они создают магнитные моменты – диполи, которые в обычном состоянии направлены хаотически.

Намагниченность в данном случае

– это принятие магнитными моментами определенного направления. Если же они направлены хаотически, то ферромагнетик считается размагниченным. Но когда диполи направлены в одну сторону, то материал намагничен. По степени намагниченности сердечника катушки можно судить о величине магнитного поля, создаваемого током, протекающим по ней.

Гистерезис напряжения. Гистерезис в электротехнике

Гистерезис в общем понятии (от греческого – отстающий) — это свойство определенных физических, биологических и иных систем, которые реагируют на соответствующие воздействия с учетом текущего состояния, а также предыстории.

Гистерезис характерен т.н. «насыщением», и различными траекториями соответствующих графиков, отмечающих состояние системы в данный момент времени. Последние, в итоге, имеют форму остроугольной петли.

Если же рассматривать конкретно электротехнику, то каждый электромагнитный сердечник после окончания воздействия электрического тока в течение некоторого времени сохраняет собственное магнитное поле, называемое остаточным магнетизмом.

Его величина зависит, прежде всего, от свойств материала: у закаленной стали она существенно выше, чем у мягкого железа.

Но, в любом случае, явление остаточного магнетизма всегда присутствует при перемагничивании сердечника, когда необходимо размагнитить его до нуля, а затем изменить полюс на противоположный.

Любое изменение направления тока в обмотке электромагнита предусматривает (из-за наличия вышеуказанных свойств материала) предварительное размагничивание сердечника. Только после этого он может поменять свою полярность — это известный закон физики.

Для перемагничивания в обратном направлении необходим соответствующий магнитный поток.

Другими словами: изменение сердечника не «поспевает» за соответствующими изменениями магнитного потока, которое оперативно создает обмотка.

Вот эта временная задержка намагничивания сердечника от изменений магнитных потоков и получило название в электротехнике как гистерезис.

Каждое перемагничивание сердечника предусматривает избавление от остаточного магнетизма путем воздействия противонаправленным магнитным потоком. На практике это приводит к определенным потерям электроэнергии, которые тратятся на преодоление «неправильной» ориентации молекулярных магнитиков.

Последние проявляются в виде выделения тепла, и представляют так называемые затраты на гистерезис.

Таким образом, стальные сердечники, например, статоров или якорей электродвигателей или генераторов, а также , должны иметь по возможности наименьшую корреляционную силу . Это позволит снизить гистерезисные потери, повысив в итоге КПД соответствующего электрического агрегата или прибора.

Сам процесс намагничивания определяется соответствующим графиком – так называемой петлей гистерезиса. Она представляет замкнутую кривую, отображающую зависимость скорости намагничивания от изменения динамики напряженности внешнего поля.

Большая площадь петли подразумевает, соответственно, и большие затраты на перемагничивание.

Также практически во всех электронных приборах наблюдается и такое явление, как тепловой гистерезис – невозвращение после прогрева аппаратуры к изначальному состоянию.

В и явление гистерезиса используется в различных магнитных носителях информации (например, триггерах Шмидта), или в специальных гистерезисных электродвигателях.

Широкое распространение этот физический эффект нашел также в различных устройствах, предназначенных для подавления различных шумов (дребезг контактов, быстрые колебания и т. п.) в процессе переключения логических схем.

Для характеристики явления намагничивания вещества вводится величина Iназываемая намагниченностью вещества. Намагниченность в СИ определяется формулой

Для ферромагнитных тел намагниченность Iявляется сложной нелинейной функцией B 0 . Зависимость I от величины Во/µ 0 называется кривой на­магниченности (рис.2). Кривая указывает на явление магнитного насыщения: начиная с некоторого значения Во/µ 0 = В 0н /µ 0 , намагниченность практически остается постоянной, равной Iн(намагниченность насыщения).

Магнитным гистерезисом (От греческого «hysteresis» — отставание следствия от его причины) ферромагнетика называется отставание измене­ния величины намагниченности ферромагнитного вещества от изменения внешнего магнитного поля, в котором находится вещество. Важнейшей причиной магнитного гистерезиса является характерная для ферромагнетика зависимость его магнитных характеристик (µ, I) не только от состояния вещества в данный момент, но и от значений величин µ и I в предыдущие моменты времени. Таким образом, суще­ствует зависимость магнитных свойств от предшествующей намагниченности вещества.

Петлей гистерезиса называется кривая зависимости изменения величины намагниченности ферромагнитного тела, помещенного во внешнее магнитное поле, от изменения индукции этого поля от + Во/µ 0 до — Во/µ 0 и обратно. Значение + Во/µ 0 соответствует намагниченности насыщения I н. Для того чтобы полностью размагнитить ферромагнитное тело, необходимо изменить на­правление внешнего поля. При некотором зна­чении магнитной индукции — В 0к, которой соот­ветствует величина В 0к /µ 0 , называемая коэрцитивной(задерживающей) силoй, намагничен­ность I тела станет равной нулю.

Коэрцитивная сила и форма петли гистерезиса характеризуют свойство ферромагнетика сохранять остаточное намагничивание и определяют использова­ние ферромагнетиков для различных целей. Ферромагнетики с широкой петлей ги­стерезиса называются жесткими магнитными материалами (углеродистые, воль­фрамовые, хромовые, алюминиево-никелевые и другие стали). Они обладают большой коэрцитивной силой и используются для создания постоянных магнитов различной формы (полосовых,подковообразных, магнитных стрелок). К мягким магнитным материалам,обладающим малой коэрцитивной силой и узкой петлей гистерезиса, относятся железо, сплавы железа с никелем. Эти материалы исполь­зуются для изготовления сердечников трансформаторов, генераторов и других устройств, по условиям работы которых происходит перемагничивание в пере­менных магнитных петлях. Перемагничивание ферромагнетика связано с поворотом областей самопроизвольного намагничивания. Работа, необходимая для это­го, совершается за счет энергии внешнего магнитного поля. Количество теплоты, выделяющейся при перемагничивании, пропорционально площади петли гистерезиса.

При температурах меньших точки Кюри любое ферромагнитное тело состоит из доменов — малых областей с линейными размерами порядка 10 -2 -10 -3 см, внутри которых существует наибольшая величина намагниченности, равная намаг­ниченности насыщения. Домены называются иначе областями самопроиз­вольной намагниченности. В отсутствие внешнего магнитного поля векторы магнитных моментов от­дельных доменов ориентированы внутри ферромагнетика совершенно беспорядоч­но, так что суммарный магнитный момент всего тела равен нулю (рис.). Под влиянием внешнего магнитного поля в ферромагнетиках происходит поворот вдоль поля магнитных моментов не отдельных атомов или молекул, как в парамаг­нетиках, а целых областей самопроизвольной намагниченности — доме­нов. При увеличении внешнего поля размеры доменов, намагни­ченных вдоль внешнего поля, растут за счет уменьшения размеров доменов с дру­гими (не совпадающими с направлением внешнего поля) ориентациями. При достаточно сильном внешнем магнитном поле все ферромагнитное тело оказывается намагниченным. Величина намагничен­ности достигает максимального значения — наступает магнитное насыщение. В отсутствие внешнего поля часть магнитных моментов до­менов остается ориентированной, и этим объясняется существование остаточной намагниченности и возможность создания постоянных магнитов .

Применение ферромагнетиков в технике. Роторы генераторов и электродвигателей; сердечники трансформаторов, электромагнитных реле; в электронно-вычислитель­ных машинах (ЭВМ), телефонах, магнитофонах, на магнитных лентах.

Парамагнитные вещества характеризуются тем, что намагничиваются во внешнем магнитном поле; если же это поле выключить, парамагнетики возвращаются в ненамагниченное состояние. Намагниченность в ферромагнетиках сохраняется и после выключения внешнего поля. На рис. 2 представлена типичная петля гистерезиса для магнитно-твердого (с большими потерями) ферромагнитного материала. Она характеризует неоднозначную зависимость намагниченности магнитоупорядоченного материала от напряженности намагничивающего поля. С увеличением напряженности магнитного поля от исходной (нулевой) точки (1) намагничивание идет по штриховой линии 1-2, причем величина m существенно изменяется по мере того, как возрастает намагниченность образца. В точке 2 достигается насыщение, т.е. при дальнейшем увеличении напряженности намагниченность больше не увеличивается. Если теперь постепенно уменьшать величину H до нуля, то кривая B(H) уже не следует по прежнему пути, а проходит через точку 3, обнаруживая как бы «память» материала о «прошлой истории», откуда и название «гистерезис». Очевидно, что при этом сохраняется некоторая остаточная намагниченность (отрезок 1-3). После изменения направления намагничивающего поля на обратное кривая В (Н) проходит точку 4, причем отрезок (1)-(4) соответствует коэрцитивной силе, препятствующей размагничиванию. Дальнейший рост значений (-H) приводит кривую гистерезиса в третий квадрант — участок 4-5. Следующее за этим уменьшение величины (-H) до нуля и затем возрастание положительных значений H приведет к замыканию петли гистерезиса через точки 6, 7 и 2.


Рис. 2. ТИПИЧНАЯ ПЕТЛЯ ГИСТЕРЕЗИСА для магнитно-твердого ферромагнитного материала. В точке 2 достигается магнитное насыщение. Отрезок 1-3 определяет остаточную магнитную индукцию, а отрезок 1-4 — коэрцитивную силу, характеризующую способность образца противостоять размагничиванию.

Магнитно-твердые материалы характеризуются широкой петлей гистерезиса, охватывающей значительную площадь на диаграмме и потому соответствующей большим значениям остаточной намагниченности (магнитной индукции) и коэрцитивной силы. Узкая петля гистерезиса (рис. 3) характерна для магнитно-мягких материалов — таких, как мягкая сталь и специальные сплавы с большой магнитной проницаемостью. Такие сплавы и были созданы с целью снижения обусловленных гистерезисом энергетических потерь. Большинство подобных специальных сплавов, как и ферриты, обладают высоким электрическим сопротивлением, благодаря чему уменьшаются не только магнитные потери, но и электрические, обусловленные вихревыми токами.


Рис. 3. ТИПИЧНАЯ ПЕТЛЯ ГИСТЕРЕЗИСА для магнитно-мягкого материала (например, железа). Поскольку площадь петли пропорциональна потерям энергии, такие материалы слабо сопротивляются размагничиванию и характеризуются малыми потерями энергии.

Магнитные материалы с высокой проницаемостью изготовляются путем отжига, осуществляемого выдерживанием при температуре около 1000° С, с последующим отпуском (постепенным охлаждением) до комнатной температуры. При этом очень существенны предварительная механическая и термическая обработка, а также отсутствие в образце примесей. Для сердечников трансформаторов в начале 20 в. были разработаны кремнистые стали, величина m которых возрастала с увеличением содержания кремния. Между 1915 и 1920 появились пермаллои (сплавы Ni с Fe) с характерной для них узкой и почти прямоугольной петлей гистерезиса. Особенно высокими значениями магнитной проницаемости m при малых значениях H отличаются сплавы гиперник (50% Ni, 50% Fe) и му-металл (75% Ni, 18% Fe, 5% Cu, 2% Cr), тогда как в перминваре (45% Ni, 30% Fe, 25% Co) величина m практически постоянна в широких пределах изменения напряженности поля. Среди современных магнитных материалов следует упомянуть супермаллой — сплав с наивысшей магнитной проницаемостью (в его состав входит 79% Ni, 15% Fe и 5% Mo).

(взято с http://www.phyzika.ru/Magnitnoe.html)

Гистерезис

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-будто удерживается некоторым внутренним полем (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 ). 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 он оказывает в случае, когда основную роль играет анизотропия формы частиц. При этом может быть существенно меньше эффективного поля анизотропии формы.

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 предыстории, то есть от того, каким было электрическое поле в предшествующие моменты времени. Основные параметры сегнетоэлектрического гистерезиса:

  • остаточная поляризация кристалла P ост, при E = 0
  • значение поля E Kt (коэрцитивное поле) при котором происходит переполяризация

Упругий гистерезис

Гистерезис используется для подавления шумов (быстрых колебаний, дребезга контактов) в момент переключения логических сигналов.

В электронных приборах всех видов наблюдается явление теплового гистерезиса : после нагрева прибора и его последующего охлаждения до начальной температуры его параметры не возвращаются к начальным значениям. Из-за неодинакового теплового расширения кристаллов полупроводников, кристаллодержателей, корпусов микросхем и печатных плат в кристаллах возникают механические напряжения , которые сохраняются и после охлаждения. Явление теплового гистерезиса наиболее заметно в прецизионных , используемых в измерительных аналого-цифровых преобразователях . В современных микросхемах относительный сдвиг опорного напряжения вследствие теплового гистерезиса составляют порядка 10-100 ppm .

В биологии

Гистерезисные свойства характерны для скелетных мышц млекопитающих.

В почвоведении

Одно из них указывает на взаимосвязь приложенных усилий субъектом влияния и достигнутым результатом. Уровень затраченной субъектом просветительской и пропагандистской работы можно соотносить с уровнем «намагниченности» (степенью вовлеченности в новую идею) объекта-носителя общественного мнения, социальную группу, коллектив, социальную общность или общество в целом; при этом может обнаружиться некоторое отставание объекта от субъекта. Переубеждение, в том числе с предполагаемыми деструктивными последствиями, далеко не всегда проходит успешно. Оно зависит от собственных моральных ценностей, обычаев, традиций, характера предыдущего воспитания, от этических норм, доминирующих в обществе и т. д.

Второе обстоятельство связано с тем, что новый этап формирования общественного мнения можно соотносить с историей объекта, его опытом, его оценкой теми, кто ранее выступал объектом формирования общественного мнения. При этом можно обнаружить, что «точка отсчета» времени формирования общественного мнения смещается относительно прежней, что является характеристикой самой системы и ее текущего состояния.

Литература по теме

  • Раддай Райхлин Гражданская война, террор и бандитизм. Систематизация социологии и социальная динамика . Раздел «Борьба с толпой»
  • Капустин Валерий Сергеевич Введение в теорию социальной самоорганизации . Тема 11. Явление гистерезиса в формировании национальных форм и способов самоорганизации. Современные парадоксы и загадки «начала»

В философии

Математические модели гистерезиса

Появление математических моделей гистерезисных явлений обуславливалось достаточно богатым набором прикладных задач (прежде всего в теории автоматического регулирования), в которых носители гистерезиса нельзя рассматривать изолированно, поскольку они являлись частью некоторой системы. Создание математической теории гистерезиса относится к 60-м годам XX-го века, когда в Воронежском университете начал работать семинар под руководством М. А. Красносельского , «гистерезисной» тематики. Позднее, в 1983 году появилась монография , в которой различные гистерезисные явления получили формальное описание в рамках теории систем: гистерезисные преобразователи трактовались как операторы, зависящие от своего начального состояния как от параметра, определённые на достаточно богатом функциональном пространстве (например, в пространстве непрерывных функций), действующие в некотором функциональном пространстве. Простое параметрическое описание различных петель гистерезиса можно найти в работе (замена в данной модели гармонических функций на прямоугольные, треугольные или трапецеидальные импульсы позволяет также получить кусочно-линейные петли гистерезисы, которые часто встречаются в дискретной автоматике, см. пример на Рис. 2).

Литература

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

Синонимы :

Смотреть что такое «Гистерезис» в других словарях:

    — (от греч. hysteresis отставание) запаздывание изменения физической величины, характеризующей состояние вещества (намагниченности М ферромагнетика, поляризации P сегнетоэлектрика и т. п.), от изменения другой физической величины, определяющей… … Большой Энциклопедический словарь

    Сдвиг, отставание Словарь русских синонимов. гистерезис сущ., кол во синонимов: 2 отставание (10) … Словарь синонимов

    ГИСТЕРЕЗИС, явление, характерное для упругих тел; заключается в том, что ДЕФОРМАЦИЯ тела при увеличении НАПРЯЖЕНИЯ меньше, чем при его уменьшении из за задержки эффекта деформации. Когда механическое напряжение удалено полностью, остается… … Научно-технический энциклопедический словарь

    — (от греческого hysteresis отставание, запаздывание) 1) Г. в аэродинамике неоднозначность структуры поля течения и, следовательно, аэродинамических характеристик обтекаемого тела при одних и тех же значениях кинематических параметров, но при… … Энциклопедия техники

Гистерезис является комплексным понятием процессов, происходящих в системах и веществах, которые способны в себе накапливать различную энергию, при этом скорость и интенсивность ее нарастания отличается от кривой ее убывания при снятии воздействия. В переводе же с греческого языка понятие гистерезис переводится как отставание, поэтому и понимать его следует как запаздывание одного процесса по отношению к другому. При этом совсем необязательно, чтобы эффект гистерезиса был характерен только магнитным средам.

Это свойство проявляется во многих других система и средах:

  • гидравлике;
  • кинематике;
  • электронике;
  • биологии;
  • экономике.

Особенно часто используют понятие при осуществлении регулирования температурных режимов в системах отопления.

Особенности физического явления

Мы же остановимся именно на гистерезисе в электронной технике , связанным с магнитными процессами в различных веществах. Он показывает, как себя ведет тот или другой материал в электромагнитном поле, а это тем самым позволяет строить графики зависимости и снимать какие-то показания сред, в которых находятся эти самые материалы. Например, этот эффект используется в работе терморегулятора.

Рассматривая более подробно понятие гистерезиса и эффект с ним связанный, можно заметить такую особенность. Вещество, обладающее такой особенностью, способно переходить в насыщение. То есть, это то состояние, при котором оно больше не способно накапливать в себе энергию. А при рассмотрении процесса на примере ферромагнитных материалов энергия выражается намагниченностью, которая возникает благодаря имеющейся магнитной связи между молекулами вещества. А они создают магнитные моменты – диполи, которые в обычном состоянии направлены хаотически.

Намагниченность в данном случае – это принятие магнитными моментами определенного направления. Если же они направлены хаотически, то ферромагнетик считается размагниченным. Но когда диполи направлены в одну сторону, то материал намагничен. По степени намагниченности сердечника катушки можно судить о величине магнитного поля, создаваемого током, протекающим по ней.

Физический процесс при гистерезисе

Чтобы подробно понять процесс гистерезиса , необходимо досконально изучить следующие понятия:

Что касается материалов, в которых лучше всего наблюдается эффект гистерезиса, то таковыми являются именно ферромагнетики. Это смесь химических элементов, которая способна намагничиваться за счет направленности магнитных диполей, поэтому обычно в составе имеются такие металлы, как:

  • железо;
  • кобальт;
  • никель;
  • соединения на их основе.

Чтобы увидеть гистерезис , на катушку с сердечником из ферромагнетика необходимо подать переменное напряжение. При этом от величины его график намагничивания сильно зависеть не будет, потому как эффект зависит напрямую от свойства самого материала и величины магнитной связи между элементами вещества.

Основополагающим моментом при рассмотрении понятия гистерезиса в электронике является как раз магнитная индукция В, созданная вокруг катушки при подаче напряжения. Она определяется по стандартной формуле, как произведение магнитной диэлектрической проницаемости вещества к сумме напряженности и намагниченности поля.

Чтобы понять общий принцип эффекта гистерезиса, необходимо воспользоваться графиком . На нем видна петля намагничивания из состояния полной размагниченности. Участок можно обозначить цифрами 0-1. При достаточной величине напряжения и длительности воздействия магнитного поля на материал график доходит до крайней своей точки по указанной траектории. Процесс осуществляется не по прямой, а по кривой с определенным изгибом, который характеризует свойства материала. Чем больше в веществе магнитных связей между молекулами, тем быстрее он выходит в насыщение.

После снятия напряжения с катушки напряженность магнитного поля падает до нуля. Это участок на графике 1-2. При этом материал за счет направленности магнитных моментов остается намагниченным. Но величина намагниченности несколько ниже, чем при насыщении. Если такой эффект наблюдается в веществе, то оно относится к ферромагнетикам, способным накапливать в себе магнитное поле за счет сильных магнитных связей между молекулами вещества.

Со сменой полярности напряжения, подводимого к катушке, процесс размагничивания продолжается по той же кривой до состояния насыщения . Только в этом случае магнитные моменты диполей будут направлены в обратную сторону. С частотой сети процесс будет периодически повторяться, описывая график, получивший название – петля магнитного гистерезиса.

При многократном намагничивании ферромагнетика меньшей, чем при насыщении напряженностью, то можно получить семейство кривых, из которых можно построить общий график, характеризующий состояние вещества от полного размагниченного до полного намагниченного.

Гистерезис – это комплексное понятие , характеризующее способность вещества накапливать энергию магнитного поля или другой величины за счет имеющихся магнитных связей между молекулами вещества или особенностей работы системы. Но таким эффектом могут обладать не только сплавы железа, кобальта и никеля. Титанат бария даст несколько иной результат, если его поместить в поле с определенной напряженностью.

Так как он является сегнетоэлектриком, то в нем наблюдается диэлектрический гистерезис. Обратная петля гистерезиса образуется при противоположной полярности подводимого к среде напряжения, а величина противоположного поля, действующего на материал, получило название коэрцитивная сила.

При этом величина поля может предшествовать разным напряженностям, что связано с особенностями фактического состояния диполей – магнитных моментов после прошлого намагничивания. Также на процесс влияют различные примеси , содержащиеся в составе материала. Чем их больше, тем труднее сдвинуть стенки диполей, поэтому остается так называемая остаточная намагниченность.

Что влияет на петлю гистерезиса?

Казалось бы, гистерезис – это больше внутренний эффект , который не виден на поверхности материала, но он сильно зависит не только от типа самого материала, но и от качества и вида его механической обработки. Например, железо переходит в насыщение при напряженности равной 1 э, а сплав магнико достигает своей критической точки только при 580 э. Чем больше дефектов на поверхности материала, тем требуется больше напряженность магнитного поля, чтобы вывести его в насыщение.

В результате намагничивания и размагничивания в материале выделяется тепловая энергия, которая равна площади петли гистерезиса. Также к потерям в ферромагнетике можно отнести действие вихревых токов и магнитной вязкости вещества. Это обычно наблюдается при изменении частоты магнитного поля в большую сторону.

В зависимости от характера поведения ферромагнетика в среде с магнитным полем, различают статический и динамический гистерезис . Первый наблюдается при номинальной частоте напряжения, но с ее ростом площадь графика увеличивается, что приводит и к росту потерь.

Другие свойства

Кроме магнитного гистерезиса, также различают гальвономагнитный и магнитострикционный эффекты . В этих процессах наблюдается изменение электрического сопротивления за счет механической деформации материала. Сегнетоэлектрики под действием деформационных сил способны вырабатывать электрический ток, что объясняется пьезоэлектрическим гистерезисом. Также существует понятие электрооптического и двойного диэлектрического гистерезиса. Последний процесс имеет обычно наибольший интерес, так как сопровождается двойным графиком в зонах, приближающихся к точкам насыщения.

Гистерезис определение относится не только к ферромагнетикам, применяемым в электронике. Такой процесс может происходить и в термодинамике . Например, при организации отопления от газового или электрического котла. Регулирующим компонентом в системе является терморегулятор. Но только контролируемой величиной является температура воды в системе.

При ее снижении до заданного уровня котел включается, начиная подогрев до заданной величины. После чего выключается и процесс повторяется в цикле. Если снять показания температуры при нагреве и остывании системы при каждом цикле включения и выключения отопления, то получиться график в виде петли гистерезиса, который и получил название гистерезис котла.

В таких системах гистерезис выражается в температуре . Например, если он составляет 4°С, а температура теплоносителя установлена 18°С, то котел выключится, когда она достигнет значения 22°С. Таким образом, можно настроить любой приемлемый температурный режим в помещениях. А терморегулятор является, по сути, датчиком температуры или термостатом, который включает или выключает отопления при достижении нижнего и верхнего порога, соответственно.

Рассмотрим процесс переменного намагничивания ферромагнитного материала. Для этой цели намотаем на стальной сердечник обмотку и будем по ней пропускать постоянный ток. Предположим, что сердечник электромагнита ранее не был намагничен.

Увеличивая проходящий по виткам обмотки ток I от нуля, мы тем самым будем увеличивать намагничивающую силу и напряженность поля H . Величина магнитной индукции B в сердечнике будет также увеличиваться. Кривая намагничивания на рисунке 1 имеет прямолинейную часть, а затем вследствие насыщения кривая поднимается медленно, приближаясь к горизонтали. Если теперь, достигнув точки а , уменьшать H , то будет уменьшаться и B . Однако уменьшение B при уменьшении H , то есть при размагничивании, будет происходить с запаздыванием по отношению к уменьшению H . Величина остаточной индукции при H = 0 характеризуется отрезком .

Для того чтобы магнитная индукция в сердечнике стала равной нулю, необходимо намагничивать материал в обратном направлении, то есть перемагнитить его. Для этой цели направление тока в обмотке меняется на обратное. Направление магнитных линий и напряженности магнитного поля также изменяется. При напряженности поля H = индукция в сердечнике равна нулю и материал сердечника полностью размагничен. Значение напряженности поля H = при B = 0 является определенной характеристикой материала и называется задерживающей (коэрцитивной) силой.

Повторяя процесс перемагничивания, мы получаем замкнутую кривую а б в г д е а , которая называется петля гистерезиса или петля магнитного гистерезиса. Гистерезис от греческого – отстающий, запаздывающий. На этом опыте легко убедиться, что намагничивание и размагничивание сердечника (появление и исчезновение полюсов, магнитной индукции или магнитного потока) отстают от момента появления и исчезновения намагничивающей и размагничивающей силы (тока в обмотке электромагнита). Явление гистерезиса можно иными словами охарактеризовать как отставание изменений магнитной индукции от изменений напряженности поля. Перемагничивание материала связано с затратой некоторого количества энергии, которая выделяется в виде тепла, нагревающего материал.

Магнитный гистерезис особенно сильно сказывается, если материал сердечника обладает большим остаточным магнетизмом (например, твердая сталь). Явление гистерезиса в большинстве случаев вредно. Оно вызывает потери на гистерезис выраженные в нагреве сердечника и лишних затратах мощности источника напряжения, а также сопровождается гудением сердечника вследствие перемены полярности и поворотов элементарных частиц материала сердечника.

Первое серьезное исследование процессов намагничивания стали было проведено Александром Григорьевичем Столетовым (1839 – 1896) в 1872 году и опубликовано в работе «О функции намагничивания мягкого железа».

А. Г. Столетов, кроме того, исследовал и объяснил природу внешнего фотоэффекта и изготовил первый фотоэлемент.

Видео 1. Гистерезис

Что такое гистерезис в электронике

Термин «гистерезис» происходит от греческого слова «запаздывание» и означает появление задержки в развитии одного физического явления по отношению к другому. Гистерезис играет большую роль в технике и, в частности, в электронике. Он проявляется каждый раз, когда выполняется операция сравнения двух величин с некоторой точностью.

Суть данного явления можно пояснить на примере работы термостата независимо от наличия или отсутствия электронного регулятора. Рассмотрим термостат, настроенный на поддержание температуры 20 °С с помощью электрического нагревателя. Если бы управляющая нагревателем биметаллическая пластина, деформирующаяся при изменении температуры, не обладала гистерезисом, нагреватель включался бы и выключался очень часто, что приведет к быстрому износу контактов. В действительности регулятор включается при 19 °С, а выключается примерно при 21 °С. При этом механическая инерционность биметаллической пластины и тепловая инерционность нагревателя порождают явление гистерезиса, переключение режимов происходит с небольшой частотой, а температура в термостате колеблется в некотором интервале вблизи заданного значения (рис. 1 а).

Рис. 1. Схема реализации гистерезиса

В электронике все процессы развиваются гораздо быстрее, и нередко приходится искусственно создавать задержку для снижения частоты переключения. В качестве примера на рис .1 б приведена схема компаратора на базе операционного усилителя.

Устройство сравнивает регулируемое напряжение Uвх с опорным Uоп, которое задается с помощью батарейки. Результат сравнения выводится на светодиодный индикатор. Чтобы усилить проявление гистерезиса и снизить частоту мигания индикатора, используют резистор, через который часть выходного сигнала передается на вход операционного усилителя. При этом снижается коэффициент усиления каскада и задерживается включение и выключение индикатора.

Источник: radiostorage.net

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.

Это отставание магнитной индукции от напряженности магнитного поля носит название гистерезиса . При каждом новом намагничивании сердечника для уничтожения его остаточного магнетизма приходится действовать на сердечник магнитным потоком противоположного направления.

Практически это будет означать затрату какой-то части электрической энергии на преодоление коэрцитивной силы, затрудняющей поворот молекулярных магнитиков в новое положение. Затраченная на это энергия выделяется в железе в виде тепла и представляет потери на перемагничивание, или, как говорят, потери на гистерезис .

Исходя из сказанного, железо, подверженное в том или ином приборе непрерывному перемагничиванию (сердечники якорей генераторов и электродвигателей , сердечники трансформаторов), должно выбираться всегда мягкое, с очень небольшой коэрцитивной силой. Это дает возможность уменьшить потери на гистерезис и тем самым повысить коэффициент полезного действия электрической машины или прибора.

Петля гистерезиса — кривая, изображающая ход зависимости намагничивания от напряженности внешнего поля. Чем больше площадь петли, тем большую работу на перемагничивание надо затратить.

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.

1-ая часть: намагничивание изменением тока от 0 до величины — + ОМ. Индукция в железе сердечника будет возрастать сначала быстро, затем медленнее. К концу операции, в точке А железо так насыщено магнитными силовыми линиями, что дальнейшее усиление тока (свыше + ОМ) может дать самые незначительные результаты, почему операцию намагничивания можно считать законченной.

Намагничивание до насыщения означает, что имеющиеся в сердечнике молекулярные магниты, находящиеся в начале процесса намагничивания в полном, а затем лишь в частичном беспорядке, почти все расположились теперь стройными рядами, северными полюсами в одну сторону, южными в другую, почему на одном конце сердечника мы имеем теперь северную полярность, на другом — южную.

2-я часть: ослабление магнетизма вследствие уменьшения тока от + ОМ до 0 и полное размагничивание при токе — OD. Магнитная индукция, изменяясь по кривой АС, дойдет до значения ОС, в то время как ток уже будет равен нулю. Эту магнитную индукцию называют остаточным магнетизмом, или остаточной магнитной индукцией. Для уничтожения ее, для полного, следовательно, размагничивания, необходимо дать в электромагнит ток обратного направления и довести его до значения, соответствующего на чертеже ординате OD.

3-я часть: намагничивание в обратную сторону путем изменения тока от — OD до — ОМ1. Магнитная индукция, возрастая по кривой DE, дойдет до точки Е, соответствующей моменту насыщении.

4-я часть: ослабление магнетизма постепенным уменьшением тока от — ОМ1, до нуля (остаточный магнетизм OF) и последующее размагничивание путем перемены направления тока и доведения его до величины + ОН.

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.

Источник: electricalschool.info

Гистерезис

Гистерезис в общем понятии (от греческого – отстающий) — это свойство определенных физических, биологических и иных систем, которые реагируют на соответствующие воздействия с учетом текущего состояния, а также предыстории.

Гистерезис характерен т.н. «насыщением», и различными траекториями соответствующих графиков, отмечающих состояние системы в данный момент времени. Последние, в итоге, имеют форму остроугольной петли.

Если же рассматривать конкретно электротехнику, то каждый электромагнитный сердечник после окончания воздействия электрического тока в течение некоторого времени сохраняет собственное магнитное поле, называемое остаточным магнетизмом.

Его величина зависит, прежде всего, от свойств материала: у закаленной стали она существенно выше, чем у мягкого железа.

Но, в любом случае, явление остаточного магнетизма всегда присутствует при перемагничивании сердечника, когда необходимо размагнитить его до нуля, а затем изменить полюс на противоположный.

Любое изменение направления тока в обмотке электромагнита предусматривает (из-за наличия вышеуказанных свойств материала) предварительное размагничивание сердечника. Только после этого он может поменять свою полярность — это известный закон физики.

Для перемагничивания в обратном направлении необходим соответствующий магнитный поток.

Другими словами: изменение магнитной индукции сердечника не «поспевает» за соответствующими изменениями магнитного потока, которое оперативно создает обмотка.

Вот эта временная задержка намагничивания сердечника от изменений магнитных потоков и получило название в электротехнике как гистерезис.

Каждое перемагничивание сердечника предусматривает избавление от остаточного магнетизма путем воздействия противонаправленным магнитным потоком. На практике это приводит к определенным потерям электроэнергии, которые тратятся на преодоление «неправильной» ориентации молекулярных магнитиков.

Последние проявляются в виде выделения тепла, и представляют так называемые затраты на гистерезис.

Таким образом, стальные сердечники, например, статоров или якорей электродвигателей или генераторов, а также силовых трансформаторов, должны иметь по возможности наименьшую корреляционную силу. Это позволит снизить гистерезисные потери, повысив в итоге КПД соответствующего электрического агрегата или прибора.

Сам процесс намагничивания определяется соответствующим графиком – так называемой петлей гистерезиса. Она представляет замкнутую кривую, отображающую зависимость скорости намагничивания от изменения динамики напряженности внешнего поля.

Большая площадь петли подразумевает, соответственно, и большие затраты на перемагничивание.

Также практически во всех электронных приборах наблюдается и такое явление, как тепловой гистерезис – невозвращение после прогрева аппаратуры к изначальному состоянию.

В электротехнике и электронике явление гистерезиса используется в различных магнитных носителях информации (например, триггерах Шмидта), или в специальных гистерезисных электродвигателях.

Широкое распространение этот физический эффект нашел также в различных устройствах, предназначенных для подавления различных шумов (дребезг контактов, быстрые колебания и т. п.) в процессе переключения логических схем.

Источник: pue8.ru

Что такое гистерезис, какие польза и вред от данного явления

Определение понятия

У слова «Гистерезис» греческие корни, оно переводится как запаздывающий или отстающий. Этот термин используется в разных сферах науки и техники. В общем смысле понятие гистерезис отличает различное поведение системы при противоположных воздействиях.

Это можно сказать и более простыми словами. Допустим есть какая-то система, на которую можно влиять в нескольких направлениях. Если при воздействии на неё в прямом направлении, после прекращения система не возвращается в исходное состояние, а устанавливается в промежуточном — тогда чтобы вернуть в исходное состояние нужно воздействовать уже в другом направлении с какой-то силой. В этом случае система обладает гистерезисом.

Иногда это явление используется в полезных целях, например, для создания элементов, которые срабатывают при определённых пороговых значениях воздействующих сил и для регуляторов. В других случаях гистерезис несёт пагубное влияние, рассмотрим это на практике.

Гистерезис в электротехнике

В электротехнике гистерезис — это важная характеристика для материалов, из которых изготавливаются сердечники электрических машин и аппаратов. Прежде чем приступать к объяснениям, давайте рассмотрим кривую намагничивания сердечника.

Изображение на графике подобного вида называют также петлей гистерезиса.

Важно! В данном случае речь идет о гистерезисе феромагнетиков, здесь это нелинейная зависимость внутренней магнитной индукции материала от величины внешней магнитной индукции, которая зависит от предыдущего состояния элемента.

При протекании тока через проводник вокруг последнего возникает магнитное и электрическое поле. Если смотать провод в катушку и пропустить через него ток, то получится электромагнит. Если поместить внутрь катушки сердечник, то её индуктивность увеличится, как и силы, возникающие вокруг неё.

Отчего зависит гистерезис? Соответственно сердечник изготавливается из металла, от его типа зависят его характеристики и кривая намагничивания.

Если использовать, например, каленную сталь, то гистерезис будет шире. При выборе так называемых магнитомягких материалов — график сузится. Что это значит и для чего это нужно?

Дело в том, что при работе такой катушки в цепи переменного тока ток протекает то в одном, то в другом направлении. В результате и магнитные силы, полюса постоянно переворачивается. В катушке без сердечника это происходит в принципе одновременно, но с сердечником дела обстоят иначе. Он постепенно намагничивается, его магнитная индукция возрастает и постепенно доходит до почти горизонтального участка графика, который называется участком насыщения.

После этого, если вы начнете изменять направление тока и магнитного поля, сердечник должен будет перемагнитится. Но если просто отключить ток и тем самым убрать источник магнитного поля, сердечник все равно останется намагниченным, хоть и не так сильно. На следующем графике это точка «А». Чтобы его размагнитить до исходного состояния нужно создать уже отрицательную напряженность магнитного поля. Это точка «Б». Соответственно ток в катушке должен протекать в обратном направлении.

Значение напряженности магнитного поля для полного размагничивания сердечника называется коэрцитивной силой и чем она меньше, тем лучше в данном случае.

Перемагничивание в обратном направлении будет проходить аналогично, но уже по нижней ветви петли. То есть при работе в цепи переменного тока часть энергии будет затрачиваться на перемагничивание сердечника. Это ведёт к тому что КПД электродвигателя и трансформатора снижается. Соответственно это приводит к его нагреву.

Важно! Чем меньше гистерезис и коэрцитивная сила, тем меньше потери на перемагничивание сердечника.

Кроме выше описанного гистерезис характерен и для работы реле и других электромагнитных коммутационных приборов. Например, ток отключения и включения. Когда реле выключено, чтобы оно сработало нужно приложить определённый ток. При этом ток его удержания во включенном состоянии может быть намного ниже тока включения. Оно отключится только тогда, когда ток опустится ниже тока удержания.

Гистерезис в электронике

В электронных устройствах гистерезис несёт в основном полезные функции. Допустим это используется в пороговых элементах, например, компараторах и триггерах Шмидта. Ниже вы видите график его состояний:

Это нужно в тех случаях, чтобы устройство сработало при достижении сигнала X, после чего сигнал может начать уменьшаться и устройство не отключилось до тех пор, пока сигнал не упадет до уровня Y. Такое решение используется для подавления дребезга контакта, помех и случайных всплесков, а также в различных регуляторах.

Например, термостат или регулятор температуры. Обычно его принцип действия заключается в том, чтобы отключить нагревательный (или охладительный) прибор в тот момент, когда температура в помещении или другом месте достигла заданного уровня.

Рассмотрим два варианта работы кратко и просто:

  1. Без гистерезиса. Включение и отключение при заданной температуре. При этом здесь есть нюансы. Если вы установили регулятор температуры на 22 градуса и обогреваете комнату до этого уровня, то как только в комнате будет 22 он выключится, а когда вновь опустится до 21 – включится. Это не всегда правильное решение, потому что ваш управляемый прибор будет слишком часто включаться и отключаться. К тому же в большинстве бытовых и многих производственных задачах нет нужды настолько четкой поддержки температуры.
  2. С гистерезисом. Чтобы сделать некий зазор в допустимом диапазоне регулируемых параметров применяют гистерезис. То есть, если вы установили температуру в 22 градуса, то, как только она будет достигнута, обогреватель отключится. Допустим, что гистерезис в регуляторе установлен на зазор в 3 градуса, то обогреватель вновь заработает только тогда, когда температура воздуха опустится до 19 градусов.

Иногда этот зазор регулируется на ваше усмотрение. В простых исполнениях используются биметаллические пластины.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео, в котором рассказывается, что такое гистерезис и как его можно использовать:

Мы рассмотрели явление и применение гистерезиса в электрике. Итог следующий: в электроприводе и трансформаторах он несет пагубный эффект, а в электронике и разнообразных регуляторах находит и полезное применение. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной и интересной!

Источник: samelectrik.ru

Что такое магнитный гистерезис, кривые магнитного намагничивания

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:

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 намагничивания, кривые магнитного гистерезиса или более обычно BH кривые для каждого типа основного используемого материала.

Намагниченность или кривая B-H

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

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.

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

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.

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

Источник: meanders.ru

Гистерезис что это кратко и понятно

Гистере́зис (греч. ὑστέρησις — отставание, запаздывание) — свойство систем (физических, 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. Для гистерезиса характерно явление «насыщения», а также неодинаковость траекторий между крайними состояниями (отсюда наличие остроугольной петли на графиках). Не следует путать это понятие с инерционностью поведения систем, которое обозначает монотонное сопротивление системы изменению её состояния.

Содержание

В физике [ править | править код ]

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

Магнитный гистерезис [ править | править код ]

Магнитный гистерезис — явление зависимости вектора намагниченности и вектора напряжённости 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 будто удерживается некоторым внутренним полем H A <displaystyle H_> (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 <displaystyle H_> ). 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 H c ≈ H A <displaystyle H_approx H_> . Более универсальным является механизм неоднородного вращения M. Однако наибольшее влияние на H c <displaystyle H_> он оказывает в случае, когда основную роль играет анизотропия формы частиц. При этом H c <displaystyle H_> может быть существенно меньше эффективного поля анизотропии формы.

Сегнетоэлектрический гистерезис [ править | править код ]

Сегнетоэлектрический гистерезис — неоднозначная петлеобразная зависимость поляризации P <displaystyle P> сегнетоэлектриков от внешнего электрического поля E <displaystyle 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 <displaystyle P_> . Направление поляризации может быть изменено электрическим полем. При этом зависимость P <displaystyle P> ( E <displaystyle E> ) в полярной фазе неоднозначна, значение P <displaystyle P> при данном E <displaystyle E> зависит от предыстории, то есть от того, каким было электрическое поле в предшествующие моменты времени. Основные параметры сегнетоэлектрического гистерезиса:

  • остаточная поляризация кристалла P r <displaystyle P_>, при E = 0 <displaystyle E=0>
  • значение поля E K t <displaystyle E_>(коэрцитивное поле) при котором происходит переполяризация

Упругий гистерезис [ править | править код ]

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 со временем исчезает не полностью. Как при неупругом, так и вязкоупругом поведении величина Δ U <displaystyle Delta U> — 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 электронике и электротехнике [ править | править код ]

В электронике и электротехнике используются устройства, обладающие магнитным гистерезисом — различные магнитные носители информации, или электрическим гистерезисом, например, триггер Шмитта или гистерезисный двигатель.

Гистерезис используется для подавления шумов (быстрых колебаний, дребезга контактов) в момент переключения логических сигналов.

В электронных приборах всех видов наблюдается явление теплового гистерезиса: после нагрева прибора и его последующего охлаждения до начальной температуры его параметры не возвращаются к начальным значениям. Из-за неодинакового теплового расширения кристаллов полупроводников, кристаллодержателей, корпусов микросхем и печатных плат в кристаллах возникают механические напряжения, которые сохраняются и после охлаждения. Явление теплового гистерезиса наиболее заметно в прецизионных источниках опорного напряжения, используемых в измерительных аналого-цифровых преобразователях. В современных микросхемах относительный сдвиг опорного напряжения вследствие теплового гистерезиса составляет порядка 10—100 ppm [1] .

В биологии [ править | править код ]

Гистерезисные свойства характерны для скелетных мышц млекопитающих.

В экологии популяций система «хищник — жертва» обладает гистерезисом и/или запаздыванием численного отклика хищника.

В почвоведении и геологии [ править | править код ]

Практический интерес также представляет запаздывание изменения температуры грунта на различных глубинах от колебаний температуры воздуха. Осенью и в начале зимы когда температура воздуха опускается ниже нуля, накопленное грунтом за тёплый сезон тепло ещё остаётся в грунте. Это создаёт благоприятные условия для использования грунтовых тепловых насосов для отопления.

В гидрологии [ править | править код ]

Зависимость Q=f(H) — связь расходов и уровней воды в реках — имеет петлеобразную форму.

В экономике [ править | править код ]

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.

Эффект гистерезиса — состояние безработицы; достигнув достаточно высокого уровня, она может в определенной мере самовоспроизводиться и удерживаться на нём. Экономические причины гистерезиса (долгосрочной негибкости рынка труда) неоднозначны. Некоторые институциональные факторы ведут к гистерезису. Например, социальное страхование, особенно страхование по безработице, может через налоговую систему снижать спрос фирм на рабочую силу в официальной экономике.

Безработица может вести к потере человеческого капитала и к «помечиванию» тех, кто долгое время остается безработным. Профсоюзы могут вести переговоры с целью поддерживать благосостояние их настоящих членов, игнорируя интересы аутсайдеров, оказавшихся безработными. Фиксированные издержки, связанные со сменой должности, места работы или отрасли, также могут приводить к гистерезису.

Наконец, возможны трудности при различении реальных и кажущихся явлений гистерезиса, когда конечное состояние системы определяется её текущей динамикой или её начальным состоянием. В первом случае гистерезис отражает наше незнание: добавив недостающие переменные и информацию, можно более полно описать эволюцию изучаемой системы. Др. интерпретация явления гистерезиса — простое существование нескольких состояний равновесия, когда невидимые воздействия перемещают экономику из одного состояния равновесия в др.

В социологии [ править | править код ]

Формирование общественного мнения и управление им никогда не осуществляется мгновенно. Всегда есть какая-то задержка. Это связано с полным или частичным отказом от стереотипного традиционного мышления и необходимостью «поддаться» в определенных случаях переубеждению и следованию новым взглядам, которые формируются определёнными субъектами. В качестве субъектов формирования общественного мнения и управления им могут выступать государство, партии, общественные организации, их лидеры, руководители и управленцы различного уровня и др.

В характере формирования общественного мнения важно учитывать два существенных обстоятельства [2] .

Одно из них указывает на взаимосвязь приложенных усилий субъектом влияния и достигнутым результатом. Уровень затраченной субъектом просветительской и пропагандистской работы можно соотносить с уровнем «намагниченности» (степенью вовлеченности в новую идею) объекта-носителя общественного мнения, социальную группу, коллектив, социальную общность или общество в целом; при этом может обнаружиться некоторое отставание объекта от субъекта. Переубеждение, в том числе с предполагаемыми деструктивными последствиями, далеко не всегда проходит успешно. Оно зависит от собственных моральных ценностей, обычаев, традиций, характера предыдущего воспитания, от этических норм, доминирующих в обществе и т. д.

Второе обстоятельство связано с тем, что новый этап формирования общественного мнения можно соотносить с историей объекта, его опытом, его оценкой теми, кто ранее выступал объектом формирования общественного мнения. При этом можно обнаружить, что «точка отсчёта» времени формирования общественного мнения смещается относительно прежней, что является характеристикой самой системы и её текущего состояния.

В философии [ править | править код ]

Жиль Делёз использует понятие гистерезиса при характеристике монадологии Лейбница.

Математические модели гистерезиса [ править | править код ]

Появление математических моделей гистерезисных явлений обуславливалось достаточно богатым набором прикладных задач (прежде всего в теории автоматического регулирования), в которых носители гистерезиса нельзя рассматривать изолированно, поскольку они являлись частью некоторой системы. В 1960-х годах в Воронежском университете начал работать семинар под руководством М. А. Красносельского, на котором создавалась строгая математическая теория гистерезиса [3] .

Позднее, в 1983 году появилась монография М. А. Красносельского и А. В. Покровского [4] , в которой различные гистерезисные явления получили формальное описание в рамках теории систем: гистерезисные преобразователи трактовались как операторы, зависящие от своего начального состояния как от параметра, определённые на достаточно богатом функциональном пространстве (например, в пространстве непрерывных функций), действующие в некотором функциональном пространстве. Параметрическое описание различных петель гистерезиса предложено в работе Р. В. Лапшина. [5] Помимо классических петель замена в данной модели гармонических функций на трапецеидальные или треугольные импульсы позволяет получить кусочно-линейные петли гистерезиса, которые часто встречаются в задачах дискретной автоматики. Имеется реализация модели гистерезиса на языке программирования R (пакет Hysteresis [6] ).

Определение понятия

У слова «Гистерезис» греческие корни, оно переводится как запаздывающий или отстающий. Этот термин используется в разных сферах науки и техники. В общем смысле понятие гистерезис отличает различное поведение системы при противоположных воздействиях.

Это можно сказать и более простыми словами. Допустим есть какая-то система, на которую можно влиять в нескольких направлениях. Если при воздействии на неё в прямом направлении, после прекращения система не возвращается в исходное состояние, а устанавливается в промежуточном — тогда чтобы вернуть в исходное состояние нужно воздействовать уже в другом направлении с какой-то силой. В этом случае система обладает гистерезисом.

Иногда это явление используется в полезных целях, например, для создания элементов, которые срабатывают при определённых пороговых значениях воздействующих сил и для регуляторов. В других случаях гистерезис несёт пагубное влияние, рассмотрим это на практике.

Гистерезис в электротехнике

В электротехнике гистерезис — это важная характеристика для материалов, из которых изготавливаются сердечники электрических машин и аппаратов. Прежде чем приступать к объяснениям, давайте рассмотрим кривую намагничивания сердечника.

Изображение на графике подобного вида называют также петлей гистерезиса.

Важно! В данном случае речь идет о гистерезисе феромагнетиков, здесь это нелинейная зависимость внутренней магнитной индукции материала от величины внешней магнитной индукции, которая зависит от предыдущего состояния элемента.

При протекании тока через проводник вокруг последнего возникает магнитное и электрическое поле. Если смотать провод в катушку и пропустить через него ток, то получится электромагнит. Если поместить внутрь катушки сердечник, то её индуктивность увеличится, как и силы, возникающие вокруг неё.

Отчего зависит гистерезис? Соответственно сердечник изготавливается из металла, от его типа зависят его характеристики и кривая намагничивания.

Если использовать, например, каленную сталь, то гистерезис будет шире. При выборе так называемых магнитомягких материалов — график сузится. Что это значит и для чего это нужно?

Дело в том, что при работе такой катушки в цепи переменного тока ток протекает то в одном, то в другом направлении. В результате и магнитные силы, полюса постоянно переворачивается. В катушке без сердечника это происходит в принципе одновременно, но с сердечником дела обстоят иначе. Он постепенно намагничивается, его магнитная индукция возрастает и постепенно доходит до почти горизонтального участка графика, который называется участком насыщения.

После этого, если вы начнете изменять направление тока и магнитного поля, сердечник должен будет перемагнитится. Но если просто отключить ток и тем самым убрать источник магнитного поля, сердечник все равно останется намагниченным, хоть и не так сильно. На следующем графике это точка «А». Чтобы его размагнитить до исходного состояния нужно создать уже отрицательную напряженность магнитного поля. Это точка «Б». Соответственно ток в катушке должен протекать в обратном направлении.

Значение напряженности магнитного поля для полного размагничивания сердечника называется коэрцитивной силой и чем она меньше, тем лучше в данном случае.

Перемагничивание в обратном направлении будет проходить аналогично, но уже по нижней ветви петли. То есть при работе в цепи переменного тока часть энергии будет затрачиваться на перемагничивание сердечника. Это ведёт к тому что КПД электродвигателя и трансформатора снижается. Соответственно это приводит к его нагреву.

Важно! Чем меньше гистерезис и коэрцитивная сила, тем меньше потери на перемагничивание сердечника.

Кроме выше описанного гистерезис характерен и для работы реле и других электромагнитных коммутационных приборов. Например, ток отключения и включения. Когда реле выключено, чтобы оно сработало нужно приложить определённый ток. При этом ток его удержания во включенном состоянии может быть намного ниже тока включения. Оно отключится только тогда, когда ток опустится ниже тока удержания.

Гистерезис в электронике

В электронных устройствах гистерезис несёт в основном полезные функции. Допустим это используется в пороговых элементах, например, компараторах и триггерах Шмидта. Ниже вы видите график его состояний:

Это нужно в тех случаях, чтобы устройство сработало при достижении сигнала X, после чего сигнал может начать уменьшаться и устройство не отключилось до тех пор, пока сигнал не упадет до уровня Y. Такое решение используется для подавления дребезга контакта, помех и случайных всплесков, а также в различных регуляторах.

Например, термостат или регулятор температуры. Обычно его принцип действия заключается в том, чтобы отключить нагревательный (или охладительный) прибор в тот момент, когда температура в помещении или другом месте достигла заданного уровня.

Рассмотрим два варианта работы кратко и просто:

  1. Без гистерезиса. Включение и отключение при заданной температуре. При этом здесь есть нюансы. Если вы установили регулятор температуры на 22 градуса и обогреваете комнату до этого уровня, то как только в комнате будет 22 он выключится, а когда вновь опустится до 21 – включится. Это не всегда правильное решение, потому что ваш управляемый прибор будет слишком часто включаться и отключаться. К тому же в большинстве бытовых и многих производственных задачах нет нужды настолько четкой поддержки температуры.
  2. С гистерезисом. Чтобы сделать некий зазор в допустимом диапазоне регулируемых параметров применяют гистерезис. То есть, если вы установили температуру в 22 градуса, то, как только она будет достигнута, обогреватель отключится. Допустим, что гистерезис в регуляторе установлен на зазор в 3 градуса, то обогреватель вновь заработает только тогда, когда температура воздуха опустится до 19 градусов.

Иногда этот зазор регулируется на ваше усмотрение. В простых исполнениях используются биметаллические пластины.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео, в котором рассказывается, что такое гистерезис и как его можно использовать:

Мы рассмотрели явление и применение гистерезиса в электрике. Итог следующий: в электроприводе и трансформаторах он несет пагубный эффект, а в электронике и разнообразных регуляторах находит и полезное применение. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной и интересной!

Гистерезис в общем понятии (от греческого – отстающий) — это свойство определенных физических, биологических и иных систем, которые реагируют на соответствующие воздействия с учетом текущего состояния, а также предыстории.

Гистерезис характерен т.н. «насыщением», и различными траекториями соответствующих графиков, отмечающих состояние системы в данный момент времени. Последние, в итоге, имеют форму остроугольной петли.

Если же рассматривать конкретно электротехнику, то каждый электромагнитный сердечник после окончания воздействия электрического тока в течение некоторого времени сохраняет собственное магнитное поле, называемое остаточным магнетизмом.

Его величина зависит, прежде всего, от свойств материала: у закаленной стали она существенно выше, чем у мягкого железа.

Но, в любом случае, явление остаточного магнетизма всегда присутствует при перемагничивании сердечника, когда необходимо размагнитить его до нуля, а затем изменить полюс на противоположный.

Любое изменение направления тока в обмотке электромагнита предусматривает (из-за наличия вышеуказанных свойств материала) предварительное размагничивание сердечника. Только после этого он может поменять свою полярность — это известный закон физики.

Для перемагничивания в обратном направлении необходим соответствующий магнитный поток.

Другими словами: изменение магнитной индукции сердечника не «поспевает» за соответствующими изменениями магнитного потока, которое оперативно создает обмотка.

Вот эта временная задержка намагничивания сердечника от изменений магнитных потоков и получило название в электротехнике как гистерезис.

Каждое перемагничивание сердечника предусматривает избавление от остаточного магнетизма путем воздействия противонаправленным магнитным потоком. На практике это приводит к определенным потерям электроэнергии, которые тратятся на преодоление «неправильной» ориентации молекулярных магнитиков.

Последние проявляются в виде выделения тепла, и представляют так называемые затраты на гистерезис.

Таким образом, стальные сердечники, например, статоров или якорей электродвигателей или генераторов, а также силовых трансформаторов, должны иметь по возможности наименьшую корреляционную силу. Это позволит снизить гистерезисные потери, повысив в итоге КПД соответствующего электрического агрегата или прибора.

Сам процесс намагничивания определяется соответствующим графиком – так называемой петлей гистерезиса. Она представляет замкнутую кривую, отображающую зависимость скорости намагничивания от изменения динамики напряженности внешнего поля.

Большая площадь петли подразумевает, соответственно, и большие затраты на перемагничивание.

Также практически во всех электронных приборах наблюдается и такое явление, как тепловой гистерезис – невозвращение после прогрева аппаратуры к изначальному состоянию.

В электротехнике и электронике явление гистерезиса используется в различных магнитных носителях информации (например, триггерах Шмидта), или в специальных гистерезисных электродвигателях.

Широкое распространение этот физический эффект нашел также в различных устройствах, предназначенных для подавления различных шумов (дребезг контактов, быстрые колебания и т. п.) в процессе переключения логических схем.

Явление магнитного гистерезиса | Электротехника

В этой статье мы обсудим явление магнитного гистерезиса и почему оно возникает в ферромагнитных материалах.

Переходные металлы Fe, Co и Ni, редкоземельные металлы, такие как Gd, и некоторые оксиды, такие как CrO 2 и ErO, демонстрируют очень большую и постоянную намагниченность. На самом деле эти вещества остаются намагниченными даже при снятии поля. Их намагниченность необратима; то есть это зависит от того, как применяется поле.Кривая намагничивания ферромагнитного материала схематически показана на рис. 4.2.

По мере увеличения приложенного поля H B начинает медленно увеличиваться. Затем наклон резко возрастает, и B быстро увеличивается до тех пор, пока не будет достигнута индукция насыщения B s . При дальнейшем увеличении поля наклон выравнивается. При уменьшении поля исходная кривая не восстанавливается. При H, равном нулю, образец все еще намагничен, а B = B r — остаточная индукция.

Это отставание плотности потока B от намагничивающего поля H называется гистерезисом. Если теперь намагничивающее поле H увеличится еще больше в обратном направлении, значение B уменьшится еще больше и станет равным нулю, когда H достигнет H c . H c известен как коэрцитивное поле или коэрцитивная сила образца. Таким образом, коэрцитивная сила является мерой магнитного поля, необходимого для полного разрушения остаточного магнетизма образца.

Если H теперь сделать отрицательным и образец насыщается в обратном направлении, прежде чем вернуться к нулевому полю, симметричная кривая, показанная на рис.4.2 получается с насыщением, коэрцитивной силой и остаточной намагниченностью, равными положительной стороне. Такое необратимое двузначное поведение гистерезиса характерно для магнитного поведения ферромагнитных материалов и известно как петля гистерезиса или кривая B-H.

Работа, необходимая для обхода петли гистерезиса один раз, пропорциональна площади, ограниченной кривой. Если H вернуть к нулю и цикл повторить при меньшем уровне насыщения, получится аналогичная кривая гистерезиса меньшей площади.

Когда последующие петли повторяют предыдущие, говорят, что материал находится в циклически намагниченном состоянии. Для материалов сердечника электромагнита значения B r и H c определяются по петле гистерезиса, взятой при циклическом намагничивании материала. Однако постоянные значения берутся из первой петли гистерезиса, поскольку постоянные магниты необходимо намагничивать только один раз.

Петля гистерезиса равна работе, необходимой для изменения направления намагниченности.Реальная форма и площадь петли зависят от внутренней структуры и состава ферромагнитного вещества. Таким образом, выполненная работа (Вт) = (площадь петли В-Н) Дж/м 3 /цикл. Можно отметить, что при расчете фактической площади следует учитывать масштабы B и H, например, если масштабы равны

.

1 см = x ампер/м и 1 см = y wb/м 2 для H и B соответственно, затем

Вт = xy (площадь B-H) Дж/м 3 /цикл

Штейнмец разработал эмпирическое соотношение, чтобы выразить эту потерю в следующих терминах:

P h = K h B l max f

где, P h = гистерезисные потери в ватт/м 3 ,

B max = максимальная плотность потока, вт/м 2 ,

K ч = коэффициент гистерезиса,

l = коэффициент Штейнмеца и

f = частота намагничивания в Гц.

Значение коэффициента Штейнмеца «l» приблизительно равно 2 для всех магнитных материалов. Трансформатор, сердечники генераторов и якоря электродвигателей и т.п., подвергающиеся быстрой перемагничиванию, должны быть изготовлены из материалов с низким коэффициентом полезного действия, чтобы уменьшить гистерезисные потери.

Вайс Филд :

Первый вопрос, который можно задать о ферромагнитных материалах, это источник большой намагниченности.Намагниченность насыщения настолько велика, что практически все магнитные диполи в ферромагнитном материале должны быть выровнены с полем. Парамагнетизм показал, что такого поведения не будет из-за нарушения выравнивания тепловой энергией, если p m .

Гн — полная энергия диполя. Чтобы наша модель соответствовала фактам, необходимо добавить член к энергии, который заставит все диполи выстроиться в линию. Добавляя новый энергетический член, мы фактически делаем то же предположение, что и Вейсс, поскольку он был первым, кто постулировал существование такого поля.Дано-

H w = λM … (6)

Константа λ называется константой Вейсса. Для прикладных полей ниже насыщения мы можем добавить поле Вейсса к H в уравнении 5,

и найти (М/Ч)

Приведенное выше уравнение известно как закон Кюри-Вейсса. Это ясно указывает на то, что при температуре Кюри восприимчивость стремится к бесконечности, т. е. взаимодействие отдельных магнитных моментов усиливает друг друга, заставляя их выстраиваться параллельно при T = T C .Ниже температуры Кюри T C материал спонтанно намагничивается до степени, зависящей от температуры. Намагниченность приближается к значению насыщения, когда температура достигает абсолютного нуля.

Выше T C спонтанная намагниченность прекращается и ферромагнитный материал превращается в парамагнитный материал. Постоянная Вейсса λ обычно имеет порядок 10 3 , что очень велико по сравнению с теоретически рассчитанным значением, учитывающим, что поле возникает за счет взаимодействия атомных диполей.Это несоответствие можно преодолеть, рассматривая квантовую механику.

Квантово-механическое объяснение поля Вейсса, предложенное Гейзенбергом, включает обменное взаимодействие между соседними электронными спинами. Перекрывающиеся волновые функции могут в некоторых случаях приводить к уменьшению общей энергии и, следовательно, в данном случае благоприятствовать параллельному выравниванию спинов. В некоторых материалах (антиферромагнетиках) обменная энергия приводит к противоположному или антипараллельному выравниванию спинов.

Энергия взаимодействия, при котором соседние диполи выстраиваются в линию, называется энергией обменного взаимодействия и является функцией отношения диаметра атома к диаметру 3d-орбиты.

Для ферромагнитных материалов это отношение находится в диапазоне от 1,4 до 2,7, и для этих материалов (например, Fe, Co, Ni) энергия обменного взаимодействия положительна. Для антиферромагнитных материалов (антипараллельное расположение магнитных диполей, как в Mn и Cr) обменная энергия отрицательна.

Объяснив величину x m для ферромагнитных материалов, мы можем теперь рассмотреть кривую гистерезиса (рис. 4.2). Возникает вопрос, почему ферромагнитный материал может намагничиваться или размагничиваться при нулевых полях. Необходимо пояснить, почему В и М зависят от того, как применяется Н (при любом значении Н вплоть до насыщения В и, следовательно, М могут иметь одно из многих значений, в зависимости от того, как мы пошли по кривой).

Магнитные домены :

Для объяснения эффектов гистерезиса, наблюдаемых в ферромагнитных материалах.Вайс предложил вторую новую идею — магнитные домены. Ферромагнитный материал разделен на небольшие области, известные как домены, которые приобретают суммарный магнитный момент из-за обменного взаимодействия между большим количеством атомных/молекулярных диполей.

Домен имеет объем порядка от 10 -8 м 3 до 10 -12 м 3 и может содержать около 10 15 или более атомных/молекулярных диполей. Каждый домен намагничивается до максимально возможного значения.Направление намагниченности каждого из доменов зависит от кристаллического состояния вещества.

Установлено, что ферромагнетизм проявляют только кристаллические вещества и намагниченность домена параллельна оси симметрии кристалла. Таким образом, ферромагнитные вещества внутренне намагничены даже в отсутствие внешнего магнитного поля. Однако суммарный магнитный момент образца равен нулю, поскольку домены внутри образца выровнены случайным образом, а материал в целом имеет нулевую намагниченность.

Чтобы придать материалу результирующую намагниченность, в доменах должно преобладать одно направление. Возможны два способа намагничивания доменной структуры. Наиболее очевидным является разрешение вращения намагниченности отдельного домена. Однако требуется меньше энергии, если домены, первоначально параллельные приложенному полю, растут за счет своих менее благоприятно ориентированных соседей.

Движение домена :

На рис. 4.5 концепция роста и вращения доменов используется для объяснения кривой намагничивания.Первоначально при увеличении поля H роста домена не происходит. Затем выгодно ориентированные домены растут, и магнитная индукция B быстро увеличивается. Наконец, рост доменов останавливается, когда мы входим в область насыщения, и происходит вращение оставшихся неблагоприятно выровненных доменов. Поскольку вращение домена требует большей энергии, чем рост домена, наклон кривой B по сравнению с H уменьшается.

При снятии поля образец остается намагниченным. Хотя домены имеют тенденцию вращаться назад, большие выровненные домены не могут легко вернуться к исходному случайному расположению.Если приложено обратное поле (-H), доменная структура может измениться, чтобы получить результирующую нулевую магнитную индукцию. Величина необходимого приложенного поля равна коэрцитивной силе H c . После намагничивания состояние H = 0, B = 0 больше не может быть достигнуто простым изменением приложенного поля.

В ферромагнитных материалах тепловая энергия может преодолеть поле Вейсса при некоторых высоких температурах, называемых температурой Кюри. Выше температуры Кюри ферромагнитные материалы становятся парамагнитными.

Ферромагнетизм возникает из-за взаимного самовыравнивания групп атомов, несущих постоянные магнитные моменты в одном направлении. Эти элементарные постоянные моменты также ответственны за парамагнетизм; следовательно, новым аспектом обсуждения ферромагнетизма является описание того, почему атомные моменты должны самовыравниваться без помощи внешнего поля.

Прежде чем приступить к изучению основ ферромагнитного взаимодействия, целесообразно рассмотреть некоторые физические характеристики ферромагнитных элементов.Некоторые из этих данных представлены в таблице 4.3.

Анализ этих данных показывает, что ферромагнетизм не является исключительно характерным для какого-либо конкретного типа кристаллов, поскольку представлены все типы простых металлических кристаллов. Элементы имеют широкий диапазон температур Кюри и значительный диапазон значений магнитного момента. Одной общей чертой является электронная структура. Три из этих элементов находятся в переходной группе 3d, а другой — в редкоземельной переходной группе 4f.Существование частично заполненных d- или f-оболочек существенно в современных теориях ферромагнетизма.

Температурная зависимость намагниченности :

Тепловое движение атомов влияет на ферромагнитные свойства несколькими способами. Одним из важнейших является влияние на степень намагниченности. Этот эффект наиболее заметен вблизи температуры Кюри, но его можно наблюдать и значительно ниже температуры Кюри.

. Спонтанная намагниченность ферромагнетиков, как мы видели, вызывается взаимодействием между соседними атомами, стремящимся выровнять их спины.Когда этот эффект настолько силен, что все соседние спины выровнены, намагниченность материала имеет максимальное значение.

Дальнее выравнивание является результатом как сильных взаимодействий с ближайшими соседями, так и непрерывности кристалла. Однако тепловые колебания атомов имеют тенденцию смещать спины. Поэтому максимальная намагниченность (характерная для полного выстраивания каждого спина) наблюдается лишь при самой низкой возможной температуре, т. е. при абсолютном нуле.

При каждой более высокой температуре намагниченность имеет меньшее значение, пока не станет равной нулю при температуре Кюри.Намагниченность в зависимости от температуры для ферромагнитных материалов показана на рис. 4.6. Намагниченность уменьшается очень медленно, когда температура сначала поднимается выше абсолютного нуля. Кривая падает более круто при более высоких температурах, пока, наконец, не упадет до нуля при температуре Кюри.

Выше температуры Кюри ферромагнитные твердые тела проявляют парамагнетизм. Они имеют большую восприимчивость чуть выше T c , но не все они подчиняются закону Кюри-Вейсса, Ni лучше всего подчиняется закону Кюри-Вейсса, но чуть выше его температуры Кюри его восприимчивость несколько отклоняется от точного соответствия этому закону.Такое поведение чуть выше T c имеет интересную интерпретацию.

Это показывает, что, хотя тепловое движение атомов разрушило дальний порядок спиновых моментов, все же сохраняется некоторый спиновый порядок гораздо более слабого характера. Это своего рода ближний порядок спинов, при котором данный атом окружен небольшим островком, в котором спины более или менее выровнены. Это явление предположительно существует для всех ферромагнитных твердых тел чуть выше T c .

Влияние легирующего элемента на намагничивание :

Легирование ферромагнитного материала другим элементом вызывает изменение магнитных свойств.Одно важное изменение касается намагниченности насыщения; следовательно, при легировании изменяется число боровских магнетронов, усредненное по всему числу атомов решетки.

То, как легирование влияет на намагниченность насыщения, частично зависит от типа структуры, образующейся при легировании; возможно, простейшей структурой является твердый раствор. Из них решение Ni-Cu имеет некоторые из наиболее легко интерпретируемых особенностей. Ni имеет десять электронов 3d + 4s, которые, как считается, заполняют перекрывающиеся d- и s-зоны таким образом, что одна из полузон 3d-состояния полностью заполнена, а в другой отсутствует 0.6 электрона на атом наполнения.

Когда атом Cu замещает атом Ni в твердом растворе, одиннадцать 3d + 4s электронов замещают исходные десять; т. е. в результате этой замены твердое тело получило дополнительный электрон. Этот электрон должен уйти в частично пустую полузону, слегка ее заполнив. Следовательно, добавление атомов Cu должно уменьшить результирующую намагниченность.

В самом деле, когда атомы Cu замещают 60% атомов Ni, обе полузоны должны быть как раз заполнены, а намагниченность должна упасть до нуля.Добавление двухвалентного Zn вызывает более быстрое уменьшение, трехвалентного Al — еще более быстрое и т. д. Pd, имеющий электронную структуру в ряду 4d, аналогичную структуре Ni в ряду 3d, не вызывает изменения N B .

Аналогичные изменения наблюдались и для других сплавов Co, Fe и Ni друг с другом и с другими металлами 3d-переходного ряда.

гистерезис | Infoplease

гистерезис hĭs˝tərē´sĭs [ключ], явление, при котором реакция физической системы на внешнее воздействие зависит не только от текущей величины этого влияния, но и от предыдущей истории системы.Выражаясь математически, отклик на внешнее воздействие представляет собой двузначную функцию; одно значение применяется, когда влияние увеличивается, другое применяется, когда влияние уменьшается. Магнитный гистерезис возникает, когда проницаемый материал, такой как мягкое железо, намагничивается под действием внешнего магнитного поля. Наведенная намагниченность имеет тенденцию отставать от намагничивающей силы. Если к первоначально ненамагниченному образцу приложить поле, а затем снять его, образец сохраняет остаточную намагниченность (он становится постоянным магнитом).График зависимости магнитной индукции B от магнитного поля H называется петлей гистерезиса. Площадь петли пропорциональна энергии, рассеиваемой в виде тепла, когда система проходит цикл; это представляет собой значительную потерю энергии в машинах переменного тока. Термический гистерезис возникает, когда величина данного свойства тела зависит не только от температуры тела, но и от того, повышается или понижается температура. Примером может служить зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для некоторых кристаллов.Другой вид гистерезиса является общей чертой управляющих или кибернетических систем. Известным примером является термостат, управляющий источником тепла и установленный на некоторую температуру T 0 . Когда температура в помещении падает через T 0 до некоторой более низкой температуры T 1 , включается мощность нагрева. Когда комнатная температура повышается через T 0 до некоторой более высокой температуры T 2 , питание отключается. Таким образом, при температурах ниже T 1 обогрев всегда включен; при температурах выше T 2 обогрев всегда выключен; но для температур между T 1 и T 2 тепло может быть включено или выключено (двузначная реакция), в зависимости от того, какая из двух температур T 1 и T 2 произошла в последний раз в системе. история.В отличие от предыдущих примеров, этот эффект гистерезиса не возникает в природе; он встроен в систему управления, чтобы предотвратить повреждение системы, которое может возникнуть из-за слишком частого включения и выключения.

Электронная энциклопедия Колумбии, , 6-е изд. Авторское право © 2012, издательство Колумбийского университета. Все права защищены.

См. больше статей энциклопедии о: Электротехника

Стейнмец и магнитный гистерезис

Чарльз Протеус Стейнмец родился 9 апреля 1865 года, в день, когда Ли отправил сообщение Гранту, объявив о своей готовности сдаться, положив тем самым конец Гражданской войне в США. .Стейнмец жил в США, пока эпоха джаза не была в самом разгаре. Он был непревзойденным математиком и инженером-электриком. Большим достижением в его жизненной работе был поиск путей упрощения и рационализации математических интерпретаций электрических явлений, как в природе, так и созданных человеком.

Штайнмец родился в Бреслау, провинция Силезия, Германия. В юности он преуспел в математике и физике. Он перешел в университет Бреслау и почти закончил обучение для получения степени доктора философии.Д., когда случилась беда. Немецкая полиция инициировала расследование по поводу некоторых статей, которые он написал для социалистической газеты. (Штайнмец на протяжении всей своей короткой жизни сильно сочувствовал обездоленным, всегда выступая против расизма и угнетения.)

В 1882 году, столкнувшись с арестом и судебным преследованием за свои прогрессивные идеалы и деятельность, он переехал в Цюрих, Швейцария. Вскоре он приземлился в Нью-Йорке, а затем в Йонкерс. Он присоединился к фирме, которая производила электрические трансформаторы и сопутствующее оборудование.Молодой Штейнмец изучал магнитный гистерезис и опубликовал работы по этому вопросу, получив немедленное признание в этой области.

Здесь H — приложенное магнитное поле, B — результирующий магнитный поток. При H=0 магнитные дипольные моменты разориентированы. Когда приложена сила намагничивания H, B следует по пути к точке насыщения. Здесь все магнитные дипольные моменты выровнены в направлении намагничивающей силы, и магнитный поток больше не возрастает. Когда H снижается до нуля, остается некоторая остаточная намагниченность (в точке сохраняемости).Чтобы удалить эту остаточную намагниченность, намагничивающая сила прикладывается в обратном направлении до точки, где нет магнитного потока (B = 0), точки, известной как точка коэрцитивной силы. Когда сила намагничивания возрастает в отрицательном направлении, происходит насыщение в противоположном направлении. Цикл продолжается с равными, но противоположными точками удерживания и точкой коэрцитивности.

Гистерезис — несколько загадочная тема. Чтобы понять это, вы должны понять идею о том, что неодушевленный объект, такой как электромагнит, может иметь память.Рассмотрим обычное устройство, термостат. Он включается и выключается при двух разных температурах, цель разных точек включения/выключения состоит в том, чтобы избежать вибрации или быстрого цикла. Таким образом, мы видим, что результат зависит не только от входа. Выходные данные также различаются в зависимости от внутреннего состояния или истории. Для Штейнмеца и его коллег это явление было важным в области ферромагнетиков. Сегодня мы наблюдаем гистерезис в таких разных областях, как аэродинамика, экономика и биология.Обычная резиновая лента имеет гистерезис из-за внутреннего трения.

Влияние гистерезиса можно изобразить в виде графика. Эффект проявляется в виде петли с отдельными кривыми, которые соединяются в предельных случаях. Гистерезис имеет отношение к магнетизму, потому что, когда внешнее поле прикладывается к магнитному материалу, этот материал становится намагниченным и остается таковым, даже когда поле удаляется. В этом смысле можно сказать, что простой магнит обладает памятью.

В годы, последовавшие за его переездом в США.С., Штейнмец внес большой вклад в области переменного тока, электродвигателей и генераторов, анализа стационарного состояния и электрических переходных процессов. Некоторое время он работал с Томасом Эдисоном, прежде чем присоединиться к новой фирме под названием General Electric в Скенектади, штат Нью-Йорк. Там он нашел дом, став известной американской иконой. Блестящий математик, он упростил сложные вычислительные процедуры, используя букву j для обозначения воображаемого оператора извлечения квадратного корня из минус единицы в анализе формы сигнала.(В электронике уже было принято и — это означало электрический ток.) ​​

Стейнмец был ясным коммуникатором. Английский не был его родным языком, но рассмотрим вступительный абзац Theory and Calculation of Electric Circuits (McGraw-Hill, 1917):

«Когда электрическая энергия течет по цепи, мы обнаруживаем явления, происходящие вне проводника, который направляет поток энергии, а также внутри него. Явления вне проводника представляют собой условия напряженности в пространстве, которые называются электрическим полем, причем двумя основными составляющими электрического поля являются электромагнитная составляющая, характеризуемая постоянной проводимостью цепи, L , и электростатическая составляющая, характеризуемая электрическая цепь постоянной емкости, C .Внутри проводника мы находим преобразование энергии в тепло».

(PDF) Модель гистерезиса Прейзаха. Некоторые приложения в электротехнике

[39] Л. Р. Дюпре, Р. Ван Кир и Дж. А.

А. Мелкебек. Дополнительные двумерные процедуры конечных элементов

для анализа магнитного поля

с использованием векторной модели

гистерезиса. Междунар. Дж. Нумер. Мет.

Eng., 42(6):1005–1023, 1998.

[40] J.B. Padilha, P. Kuo-Peng, N.

Sadowski, and N.Дж. Батистела. Vector

Модель гистерезиса, связанная с FEM в моделировании гистерезисного двигателя

. IEEE транс.

Magn., 53(6), 2017.

[41] M. Tousignant, F. Sirois, G.

Meunier, and C. Guérin. Включение

векторной модели Прейзаха-Майергойца

гистерезиса в трехмерный анализ методом конечных элементов

. IEEE транс. Magn., 55(6):1–4,

2019.

[42] C. Guérin, K. Jacques, R. V.

Sabariego, P. Dular, C.Гёзен и Дж.

Гизелинк. Использование модели гистерезиса вектора Джайлса-Атертона

для изотропных магнитных

материалов с методом конечных элементов

, методом Ньютона-Рафсона и процедурой релаксации

. Междунар. Дж. Нумер.

Model El., 30(5):e2189, 2017.

[43] Э. Длала и А. Арккио. Анализ

сходимости метода фиксированной точки

, используемого для решения нелинейных

задач вращательного магнитного поля.

IEEE Trans. Magn., 44(4):473–478,

2008.

[44] P. Zhou, D. Lin, C. Lu, M. Rosu и

D. M. Ionel. Адаптивный итерационный алгоритм с фиксированной точкой

для конечно-элементного анализа

с магнитным гистерезисом

материалов. IEEE транс. Magn., 53(10):1–

5, 2017.

[45] A. Bermúdez and C. Moreno.

Двойственные методы решения вариационных

неравенств. вычисл. Мат. Appl., 7:43–

58, 1981.

[46] М.А. Ханнан, М.С.Х. Липу, А.

Хусейн и А. Мохамед. Обзор

состояния заряда литий-ионного аккумулятора

системы оценки и управления в

приложениях для электромобилей: проблемы

и рекомендации. Продлить. Суст.

Энерг. Rev., 78:834–854, 2017.

[47] J. P. Rivera-Barrera, N. Muñoz

Galeano и H. O. Sarmiento-

Maldonado. Оценка SOC для ионно-литиевых батарей

: обзор и будущие задачи

.Electronics, 6(4), 2017.

[48] Р. Чжан, Б. Ся, Б. Ли, Л. Цао, Ю.

Лай, В. Чжэн, Х. Ван и В. Ван.

Современные литий-ионные батареи

Оценка SOC для электромобилей.

Energies, 11(7), 2018.

[49] MU Ali, A. Zafar, SH Nengroo,

S. Hussain, M. Junaid Alvi и HJ Kim.

На пути к более разумному управлению батареями

Система для электромобилей:

Критический обзор литий-ионной батареи

Оценка состояния заряда.Energies, 12

(3), 2019.

[50] Y. Wang, J. Tian, ​​Z. Sun, L. Wang,

R. Xu, M. Li, and Z. Chen.

всесторонний обзор методов моделирования и оценки состояния

аккумуляторов

для передовых систем управления аккумуляторами

. Продлить. Суст.

Энерг. Rev., 131:110015, 2020.

[51] P. Venegas, D. Gómez, M. Arrinda,

M. Oyarbide, H. Macicior и A.

Bermúdez. Фильтр Калмана и классическая модель гистерезиса Прейзаха

применены к оценке состояния заряда батареи

.

Представлено.

[52] В. Францитта, А. Виола и М.

Трапанезе. Описание гистерезиса в литиевой батарее

классической модели Preisach

. Доп. Мат. Res., 622-623:1099–

1103, 2013.

[53] F. Baronti, N. Femia, R. Saletti, C.

Visone, and W. Zamboni. Моделирование гистерезиса

в литий-ионных батареях. IEEE

Trans. Magn., 50(11):1–4, 2014.

[54] L. Zhu, Z. Sun, H. Dai, X. Wei.

Новая методология моделирования гистерезиса напряжения открытой

цепи для батарей LiFePO4

на основе адаптивной дискретной

21

модели гистерезиса Прейзаха. Некоторые приложения в электротехнике

DOI: http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.99590

Гистерезис в аналоговых схемах: компараторы и операционные усилители | Блог Advanced PCB Design

 

Гистерезис — одно из тех понятий с причудливым названием и обманчиво простым значением.Многие физические системы, в том числе множество электронных компонентов, имеют гистерезис. По существу, состояние системы зависит от событий, которые происходили в системе во все предыдущие моменты времени. Хотя это может показаться странным явлением, это обычное явление и очень полезно в различных электронных схемах. Вы можете воспользоваться преимуществами гистерезиса в аналоговых схемах и даже встроить гистерезис в свои схемы, используя обратную связь и насыщение, предоставляя множество полезных функций.

Что такое явления гистерезиса

Явление гистерезиса возникает, когда ферромагнитные материалы намагничиваются в одном направлении; даже когда наложенное намагничивающее поле удаляется, ферромагнитные материалы не возвращаются к нулевой намагниченности.Поскольку материал может вернуться к нулю только с помощью поля в противоположном направлении, возникает недостаток прослеживаемости, известный как гистерезис.

Когда это происходит, приложение переменного магнитного поля приводит к образованию петли гистерезиса. Поскольку в ферромагнитных материалах это явление происходит предсказуемо, его можно использовать в качестве прогнозирующего или стабилизирующего механизма. Это связано с тем, что некоторые ферромагнитные материалы сохраняют намагниченность.

Пример: операционные усилители по сравнению с операционными усилителями.Компараторы

Гистерезис в аналоговых схемах полезен для управления переключением в схемах с насыщением (например, на транзисторах), хотя в некоторых схемах он нежелателен. Например, гистерезис может быть специально добавлен в схему компаратора, поскольку его можно использовать для установки коэффициента заполнения формы выходного сигнала.

Если это звучит странно, то вы можете рассмотреть два основных (и, казалось бы, эквивалентных) компонента: компараторы и операционные усилители. Обратите внимание, что операционный усилитель можно использовать в качестве компаратора, но не все компараторы действуют как усилители, поэтому эти два термина иногда используются как синонимы.Гистерезис играет важную роль в обеих схемах, и понимание этих схем дает разработчикам схем основу для понимания использования гистерезиса в более сложных схемах.

Если мы сравним две распространенные ИС с этими компонентами (LM324 и LM339), станет легче увидеть, как гистерезис играет роль в некоторых аналоговых схемах и может использоваться для управления желаемым режимом переключения в этих схемах.

 

Схемы выводов операционного усилителя (LM324) и компаратора (LM339)

 

Несмотря на то, что условные обозначения и схемы выводов аналогичны, выходной каскад компаратора представляет собой открытый коллектор (заземленный эмиттер).Это означает, что выход компаратора оптимизирован для насыщения, поэтому компаратор действительно является 1-разрядным АЦП. Напротив, выходной каскад операционного усилителя оптимизирован для линейной работы как инвертирующий или неинвертирующий элемент с усилением.

Поскольку входной аналоговый сигнал постоянно изменяется на входах в любой из цепей, это приводит к переключению на выходе. Выход может переключаться при различных входных напряжениях при наличии гистерезиса. Эта разница видна, когда сравниваются выходные данные с ростом или падением входных данных.Аналогичное поведение можно наблюдать при наличии гистерезиса в аналоговых цепях с другими элементами, особенно в нелинейных цепях с насыщением.

Гистерезис в операционном усилителе

Точно так же, как положительная обратная связь создает гистерезис в компараторе, она делает то же самое и в операционном усилителе. Это формирует схему триггера Шмитта. Обратите внимание, что если операционный усилитель приводится в насыщение по схеме с обратной связью (т. е. с гистерезисом благодаря контуру обратной связи), то выходной сигнал также может насыщаться и выполнять ту же функцию, что и компаратор, хотя основные производители рекомендуют, чтобы этого не делать.Это связано с тем, что время восстановления усилителя обычно не рассчитано на конкретное значение в обычных операционных усилителях, включая LM324.

Гистерезис в компараторе

Гистерезис важен для обеспечения стабильного режима переключения в схеме компаратора. Этот гистерезис добавляется путем включения петли положительной обратной связи между выходом и одним из входов, которая затем определяет порог переключения при нарастании и падении входного сигнала. Шум на входном сигнале в схеме компаратора может привести к множественным переходам по мере роста входного сигнала.Преднамеренное добавление гистерезиса в схему компаратора полезно для подавления этого непреднамеренного переключения из-за шума. Аналогичным применением является устранение дребезга контактов в механических переключателях, что также приводит к непреднамеренному переключению.

 

Подавление непреднамеренного переключения в цепи компаратора

 

Этот дополнительный гистерезис также можно использовать для определения рабочего цикла выходного прямоугольного сигнала в зависимости от точной формы входного сигнала переменного тока (т.например, зарядка/разрядка конденсатора или синусоидальная форма волны). Когда входной сигнал растет, он заставляет компаратор переключаться при другом напряжении, чем когда входной сигнал падает. Это связано с тем, что петля обратной связи посылает некоторый ток с выхода обратно на вход, что изменяет величину сигнала, видимого на входе.

Анализ гистерезиса в аналоговых схемах

Основным инструментом для анализа гистерезиса в аналоговых схемах является петля гистерезиса. В петле гистерезиса вы можете визуализировать, как некоторая выходная характеристика (например,g., напряжение и/или ток) изменяется при изменении входного сигнала в заданном диапазоне значений. Этот тип графика может быть легко построен из двух временных сигналов для входного и выходного сигналов. Когда выход отображается как функция входа, вы должны увидеть петлю, аналогичную той, которую можно было бы наблюдать в схеме триггера Шмитта.

Как обсуждалось выше, размер окна гистерезиса может зависеть от частоты входного аналогового сигнала, когда в контур обратной связи добавляются емкостные или индуктивные элементы.На размер окна гистерезиса также может повлиять каскадирование нескольких схем компаратора/операционного усилителя в вашей сети. Амплитуда входного сигнала также влияет на размер окна гистерезиса, особенно в каскадных сетях. Вы можете анализировать поведение сети с помощью моделирования развертки переменного тока и анализа слабого сигнала.

 

Примеры входных и выходных сигналов (слева) и соответствующее окно гистерезиса (слева). Обратите внимание, что пунктирные линии показывают почти соответствующие места на каждом графике.

 

Всякий раз, когда вы включаете гистерезис в аналоговые схемы, вам нужен мощный симулятор схемы, который помогает автоматизировать ряд важных анализов, таких как, например, построение кривой B-H сердечника. Кривая B-H показывает, как магнитные свойства используемых материалов реагировали на внешние магнитные силы.

 

Управлять кривой гистерезиса с помощью редактора моделей PSpice очень просто.Этот уникальный набор функций берет данные непосредственно из вашей схемы и дает вам полное представление о поведении ваших цепей, даже кривые B-H могут быть легко построены.

Если вы хотите узнать больше о том, какое решение у Cadence есть для вас, обратитесь к нам и нашей команде экспертов.

Три явления в железе машин переменного тока

Магнитные цепи

Большинство наших практических машин переменного тока (двигатели, генераторы и трансформаторы) в значительной степени зависят от магнитного поля для работы.Железный сердечник машины обеспечивает путь для магнитного поля.

Три явления в железе машин переменного тока (фото предоставлено: electronics.stackexchange.com)

В железе есть ряд явлений, представляющих интерес, поскольку термины продолжают появляться в следующей статье.


1. Вихревые токи

Вихревые токи – это электрические токи, протекающие в сердечнике машины переменного тока . Для генерации напряжения в потребуются магнитное поле, проводники и некоторая перемена между ними.

В машине переменного тока магнитное поле всегда находится в фазе с током, оно непрерывно изменяется.

Железо является проводником, в нем будет индуцироваться напряжение и будет течь ток. Наведенные напряжения низкие, но токи могут быть высокими. Поток тока нагреет утюг.

Если не принять меры в машиностроении, ядра сильно нагреются, а потери мощности будут огромными. Ядро практичной машины переменного тока изготовлено из тонких листов металла.Листы разбивают путь циркуляции, и вихревые токи сводятся к минимуму.


2. Гистерезис

Гистерезис – это явление, возникающее в железном сердечнике. Чтобы намагнитить железо, требуется определенное количество энергии.

Магнитные диполи железа должны быть выровнены. Внешнее магнитное поле воздействует на диполи и заставляет их выровняться. В сердечнике переменного тока диполи постоянно перестраиваются, поэтому в сердечнике происходят непрерывные потери энергии.

Рис.3.2 Кривые намагничивания и гистерезиса

Эти потери проявляются в виде тепла в сердечнике . Потери на гистерезис сведены к минимуму за счет использования стали, которая легко намагничивается.

Гистерезис и вихревые токи всегда возникают вместе. Как Берт и Эрни или пляж и пиво, они неразлучны. Оба являются результатом изменения магнитного поля в сердечнике и вызывают нагрев сердечника. В терминологии машин переменного тока вместе они составляют потери в сердечнике.Часть мощности, подводимой к любой машине переменного тока, проявляется в виде тепла в сердечнике и является неэффективностью машины.


3. Магнитное насыщение

Большинство электрических машин зависят от магнитной цепи . Этот контур неизменно выполнен из железа со свойствами, позволяющими легко изменять величину и направление поля в сердечнике.

Одной из предельных характеристик магнитной цепи является насыщение железа магнитным полем .

Магнитное поле создается , пропуская ток через катушку , которая каким-то образом намотана на железный сердечник. По мере увеличения тока в катушке магнитное поле в сердечнике увеличивается. Изначально это довольно пропорциональные отношения. Удвойте ток, и вы удвоите поле.

Однако со временем сердечник насыщается магнитным полем, и становится все труднее и труднее увеличивать напряженность поля , поэтому требуется все больше и больше тока !

Связь между напряженностью поля и током изменяется от той, при которой относительно небольшие изменения магнитного поля вызывают большие изменения магнитного поля, до такой, при которой большие изменения тока вызывают небольшие изменения магнитного поля.

Рисунок 1. Типичная кривая насыщения

Большинство электрооборудования рассчитано на работу ниже области насыщения, и переход в область насыщения имеет негативные последствия. Большинство наших машин ( трансформаторы, генераторы и двигатели ) являются машинами переменного тока и зависят от наведенного напряжения в обмотках для их работы.

Наведенные напряжения зависят от скорости изменения магнитного поля в сердечнике. Отношения между магнитным полем и индуцированным напряжением захватываются в Закон Фарадей :

, где:

E — Индуцированное напряжение
N — количество оборотов в катушке
φ — магнитное поле
t – время

В машине переменного тока напряжение потока и частота взаимосвязаны. Если напряжение в системе увеличивается на заданной частоте, напряженность магнитного поля в машинах должна увеличиваться. Если частота (связанная со скоростью изменения потока) падает, магнитное поле должно увеличиваться, чтобы поддерживать фиксированное напряжение.

Большинство машин предназначены для работы с напряженностью магнитного поля чуть ниже насыщения. Увеличение поля в окрестности на 10 % приведет к насыщению ядра. Насыщенный сердечник требует большого тока намагничивания.Большие токи вызовут большой I 2 R нагрев в обмотках .

В машине переменного тока сердечник нагревается постоянно изменяющимся магнитным полем. Постоянно меняющееся поле создает вихревых токов и гистерезисные потери в сердечнике .

Вихревые токи — это электрические токи, вырабатываемые в самом железном сердечнике. Они нагревают утюг электрическим нагревом. Гистерезисные потери — это внутренние потери в железе, связанные с силами, необходимыми для изменения направления и величины поля в сердечнике.

Эффекты магнитного нагрева. В ситуации, когда увеличивается величина магнитного поля, увеличивается нагревательный эффект вихревых токов и гистерезиса.

Ссылка: Основы науки и реакторов и электротехника Группа технического обучения CNSC

Гистерезис


Автор: Э. Э. Кимберли

Теория, выдвинутая Вебером, вероятно, является лучшим объяснением магнитного явления, известного как гистерезис.Он полагает, что молекулы всей материи — это маленькие магниты. Молекулы железа — сильные магниты, а молекулы всех других видов материи — слабые магниты. Когда кусок железа не намагничен, молекулы располагаются неупорядоченно, а северные и южные полюса находятся в таком беспорядке, что никакие заметные силовые линии не выходят из массы. Однако под действием магнитодвижущей силы молекулы стремятся расположиться параллельно силовым линиям, действующим на них. Таким образом, в мягком железе многие молекулы перестраиваются против напряжений в их исходных положениях; но когда намагничивающая сила устранена, почти все возвращаются в исходное положение, и снова возникает беспорядок.Те немногие молекулы, которые сохраняют свои новые позиции, создают слабое остаточное магнитное поле вокруг железа. В очень твердой стали большая часть от общего числа молекулы, которые перестраиваются, навсегда занимают новые позиции; и, когда сила намагничивания удаляется, они создают сильное постоянное магнитное поле вокруг железа. Чтобы перестроить заданное количество молекул, требуется гораздо большая сила намагничивания в твердой стали, чем в мягкой стали или железе.

Если стержень из магнитно-инертной стали окружить соленоидом, то создаваемая магнитодвижущая сила может произвольно изменяться путем изменения тока в соленоиде.На рис. 7-7 (а) показан график потока 0 в данной цепи из твердой стали в зависимости от намагничивающих ампер-витков.

Рис. 7-7. Петля гистерезиса

Молекулы не могут быть перестроены без совершения над ними работы. Если намагниченность отнести к b, то отношение ϕ к NI будет следовать кривой Ob, а проделанная работа будет пропорциональна площади Obe. Если теперь медленно удалять намагничивающую силу, отношение ϕ к NI будет следовать кривой bc.Оставшийся поток cO при NI = 0 называется остаточным потоком и является мерой степени постоянного магнетизма. Количество работы, пропорциональное площади ebc, будет возвращено цепи соленоида за счет индукции, а работа, пропорциональная площади Obc, будет использована для преодоления молекулярного трения процесса и проявится в виде тепла в железе. При изменении направления тока в соленоиде намагничивающая сила может переноситься на d и на f. После второго изменения направления тока сила намагничивания может быть доведена до b.Для любого значения, скажем NI’, может быть одно из двух значений ϕ 1 или ϕ 2 после того, как железо имеет магнитную историю по крайней мере один цикл. Петля bcdfb называется петлей гистерезиса 1 , а ее площадь является мерой энергии гистерезиса за цикл, преобразованной в тепло.

Железо, подвергнутое намагничивающей силе переменного тока, проходит через один цикл гистерезиса на каждый цикл тока. Экспериментально установлено, что гистерезисные потери в железе примерно пропорциональны 1.6 мощность максимальной плотности потока. На рис. 7-7 (b) показана типичная петля гистерезиса для мягкого железа, используемого в большинстве электрических машин.

Гистерезисные потери на фунт различны для разных видов железа и стали и являются важным пунктом, который следует включать в спецификации при покупке. Производители магнитной листовой стали обычно предоставляют эту информацию в виде кривой, такой как на рис. 7-8.

Потери на гистерезис пропорциональны частоте и объему железа, но на них не влияет расслоение, как на потери на вихревых токах.На магнитные свойства железа влияет термообработка и механическая обработка.

Рис. 7-8. Гистерезисные потери в железе (для одной частоты)

Последнее обновление: 05.10.2010 .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.