Гистерезисный: Гистерезисный двигатель

Синхронный гистерезисный двигатель – Калужский Электроремонтный Завод. Документы и техническая информация

Синхронный гистерезисный электродвигатель, как и любой вращающийся электродвигатель состоит из ротора и статора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть. Он состоит из корпуса самого электродвигателя, подшипникого щита, подшипников, гистерезисного ротора, статора, обмотки статора, сердечника статора.

Принцип работы синхронного гистерезисного двигателя

Принцип работы синхронного гистерезисного двигателя основан на действии гистерезисного момента. Для наглядности на рисунке ниже показаны только два элементарных магнитика ns 1 и 2. Сила взаимодействия между этими магнитиками и полем статора NS направлена по оси последнего (рисунок слева). Если поворачивать поле NS, например, против часовой стрелке, то в том же направлении поворачиваются и элементарные магнитики. Однако вследствие магнитного гистерезиса магнитики ns не сразу повернутся на тот же угол, что и поле NS.

Между осями NS и ns появится некоторый угол рассогласования γ. Помимо радиальных сил появляются тангенциальные (рисунок справа), которые и создадут гистерезисный момент Мг. Угол γ определяется формой петли гистерезиса материала, из которого изготовлен ротор.

Гистерезисный момент Мг не зависит от частоты вращения ротора. Радикальный способ увеличения вращающего момента гистерезисного двигателя — применение магнитотвердых материалов с прямоугольной петлей гистерезиса. Частота вращения такого двигателя синхронна с частотой вращения поля, КПД высокий — до 80% .

Имея массивную конструкцию ротора, гистерезисные двигатели при пуске развивают также асинхронный вращающий момент. Однако этот момент значительно меньше гистерезисного момента, вследствие чего пуск, а также втягивание в синхронизм и работа происходят за счет гистерезисного момента вращения.

Разница между двигателями с постоянными магнитами и гистерезисными состоит в том, что у первых ротор подвергается специальному предварительному намагничиванию, а у вторых намагничивается полем статора двигателя.

Гистерезисные двигатели имеют лучшие показатели, чем реактивные, и строятся мощностью до 300…400 Вт.

Преимущества и недостатки

Достоинствами гистерезисных двигателей являются простота устройства, надежность в эксплуатации, отсутствие пусковых приспособлений, плавность втягивания в синхронизм, практически неизменный ток при пуске и работе. К недостаткам можно отнести относительно высокую стоимость материала ротора, хотя, как правило, ротор изготовляют из обычной стали и на него насаживают лишь полый цилиндр небольшой толщины из магнитотвердого материала.

 

Библиографический список

ГОСТ 27471-87 Машины электрические вращающиеся. Термины и определения.

Н.И.Волков, В.П.Миловзоров. Электромашинные устройства автоматики: Учеб. для вузов по спец. «Автоматика и телемеханика».- 2-е изд.- М.:Высш.шк., 1986.

М.М.Кацман. Электрические машины и электропривод автоматических устройств: Учебник для электротехнических специальностей техникумов. — М.: Высш. шк., 1987.

Гистерезисный двигатель, принцип действия, асинхронный и синхронный режим работы, область применения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Секция « Техническая эксплуатация электросистем и авионика »

нение размеров и положения отдельных участков проводов учитывается изменением параметров трансформатора.

Для практического использования полученных результатов разработаны две функции:

— функция определения индуктивной связи проводов МР = 1пй$чр(Р,0), входными параметрами которой являются матрица координат узлов первого провода Р и матрица координат узлов второго первого Q, а откликом — матрица индуктивной связи

( ЬР М Л

— функция определения параметров эквивалентного трансформатора W = ekvtr(MP), параметром которой, является матрица индуктивной связи MP, а откликом — вектор параметров трансформатора

W = (wQ we y) .

Библиографическая ссылка

1. Семенова С. Э., Юдин В. В. Вычисления в MAT-LAB : учеб. пособие. Рыбинск РГАТА, 2009. 144 с.

© Москалева О. А., Хохлов О. А., Панкратов М. В., 2013

УДК 629.73.08; 629.7.004.67

Е. А. Мутовина, Д. И. Сотников Научный руководитель — Н. В. Юрковец Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ГИСТЕРЕЗИСНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, АСИНХРОННЫЙ И СИНХРОННЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ, ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Показаны принцип действия и особенности применения гистерезисных двигателей в авиационной аппаратуре. Отмечена их область использования, преимущества и недостатки.

Гистерезисным двигателем называют синхронный двигатель, вращающий момент которого создаётся за счет явления гистерезиса при перемагничивании ферромагнитного материала ротора [1].

Гистерезисный двигатель имеет статор обычной электрической машины переменного тока (как у асинхронного двигателя) с распределенной в пазах обмоткой. Ротор гистерезисного двигателя намагничивается под действием магнитного поля статора.

При синхронной частоте вращения ротор неподвижен относительно вращающегося магнитного поля статора и ось магнитного поля ротора отстает от оси поля статора на угол уг, вследствие чего возникают тангенциальные составляющие сил взаимодействия между ротором и статором и вращающий момент Мг.

Гистерезисный двигатель работает в двух режимах, один из них — асинхронный. В этом режиме ротор вращается с меньшей скоростью, чем поле статора (О < О0). Полюса намагниченности ротора двигателя в этом режиме скользят относительно ротора. Материал ротора перемагничивается и в нем выделяются потери, пропорциональные скольжению.

По мере разгона скорость вращения ротора увеличивается и приближается к синхронной. Если момент нагрузки (номинальный момент) Мс будет меньше максимального синхронного момента Мсмакс в момент достижения синхронной скорости вращения О0 произойдет дальнейшее ускорение ротора. Угол у0 станет меньше умакс и электромагнитный момент, развиваемый двигателем, уменьшится до уровня момента сопротивления Мс. Двигатель будет вращаться с син-

хронной скоростью. Таким образом, второй режим работы ГД — это синхронный режим. Скорость вращения ротора равна скорости вращения поля О = О0. Скольжение равно 0, перемагничивание гистерезис-ного слоя отсутствует.

К недостаткам гистерезисных двигателей относятся повышенная стоимость из-за значительной стоимости магнитно-твердых сплавов и трудности их обработки, низкий коэффициент мощности и склонность к качаниям при резких изменениях нагрузки, большой технологический разброс характеристик двигателя, объясняющийся тем, что даже незначительные отклонения от установленного режима термической обработки ведут к значительным изменениям свойств маг-нитотвердых материалов.

Несмотря на все свои недостатки гистерезисные двигатели находят обширное применение благодаря тому, что обладают рядом ценных качеств. Они развивают большой пусковой момент Мп = Мга. Ротор двигателя входит в синхронизм плавно, без рывков благодаря практически постоянному значению гисте-резисного момента весь период разгона. Потребляемый двигателем ток незначительно (на 20-30 %) изменяется при изменении режима работы от пуска до холостого хода, что позволяет эффективно использовать гистерезисные двигатели в повторно-кратковременном режиме.

Гистерезисные микродвигатели просты по конструкции и надежны в эксплуатации и имеют сравнительно большой КПД — до 60 %.

Области применения гистерезисных двигателей: приборный маломощный управляемый электропривод, групповой привод механизмов, гироскопические

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

системы. В авиации гистерезисные двигатели имеют применение в следящих системах, индикаторных и коммутационных устройствах (гироскопы, тахометры и др.).

Библиографические ссылки

1. Белов М. П., Новиков В. А., Рассудов Л. Н. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов. 3-е изд., испр. М. : Академия, 2007. 575 с.

© Мутовина Е. и Е2, детектируются, и измеряется разность их амплитуд, которая пропорциональна РГМ.

Для изучения процессов, происходящих при формировании сигналов курсового радиомаяка и его обработки в курсовом приемнике, была создана исследовательская установка (рис. 2), которая моделирует сигналы с заданным значением РГМ.

Рис. 1. Диаграмма направленности антенной системы КРМ ILS

Гистерезисные двигатели

Подробности

Категория: Электрические машины

В синхронных двигателях гистерезисного типа поле возбуждения образуется за счет остаточной намагниченности магнитопровода ротора, выполненного из магнитно-твердого материала. В отличие от магнитоэлектрических синхронных машин, магнитопровод ротора которых подвергается предварительному намагничиванию в специальном устройстве, ротор гистерезисных машин намагничивается вращающимся полем обмотки якоря в процессе пуска.

Рис. 4. Гистерезисный двигатель:
Разрез гистерезисного двигателя представлен на рис. 4. Статор двигателя выполняется, как в обычной синхронной или асинхронной машине. В пазах магнитопровода статора 1 располагается многофазная (трех- и двухфазная) обмотка якоря 3, питающаяся от сети переменного тока с напряжением Ulc частотой /. Ротор двигателя состоит из активной части магнитопровода 2, насаженной на цилиндрическую втулку 4 Активная часть магнитопровода 2 набирается из колец с радиальной толщиной Д, изготовленных из магнитно-твердого материала (обычно из сплава викаллой) Втулка 4 может быть выполнена из магнитно-мягкого или немагнитного материала.

На рис. 4 показан гистерезисный двигатель, в котором втулка выполнена из магнитно-мягкого материала, имеющего значительно большую магнитную проницаемость, чем активная часть магнитопровода ротора. При этом толщина Д активной части магнитопровода мала по сравнению с радиусом втулки. Как видно из картины магнитного поля, показанной на рисунке, линии магнитного поля в активной части магнитопровода и в зазоре направлены радиально, а индукция В не отличается от индукции в зазоре.

При пуске гистерезисный двигатель развивает при любых скольжениях s > 0 одинаковый электромагнитный момент. Если этот момент несколько превосходит момент сопротивления, то двигатель достигает синхронной скорости. В синхронном режиме он способен развить такой же максимальный момент при угле сдвига между Нт иВ1т, равном а. Однако теперь он работает как магнитоэлектрический синхронный двигатель, его ротор не перемагничивается, гистерезисные потери в нем отсутствуют. При снижении момента сопротивления машина остается в синхронном режиме, но угол между первичным током и потокоснеплением уменьшается, при М- 0 он становится равным нулю; при изменении знака момента машина по-прежнему остается в синхронном режиме, но работает как генератор. Наконец, при внешнем моменте, превышающем максимальный момент и направленном в сторону вращения, ротор выпадает из синхронизма и вращается со скоростью, превышающей синхронную; машина генерирует при этом энергию в сеть.
Гистерезисные двигатели небольшой мощности (до нескольких десятков ватт) широко применяются в различных областях техники. Особыми преимуществами они обладают в тех случаях, когда требуется приводить во вращение тела с большими моментами инерции (гироскопы).
В заключение отметим, что чаще применяются гистерезисные двигатели, в которых втулка выполнена немагнитной. В этом случае активная часть магнитопровода ротора играет роль ярма и индукция магнитного поля в нем имеет преимущественно тангенциальное направление. Однако двигатель с немагнитной втулкой обладает аналогичными свойствами и на него распространяются все соотношения, полученные применительно к двигателю с магнитной втулкой.

Электродвигатель МГ-70/400 синхронный гистерезисный однофазный

Описание двигателя МГ-70/400

Электродвигатель синхронный гистерезисный однофазный конденсаторный МГ-70/400 по ВБ 312.3334 ТУ.

Исполнение двигателей по способу монтажа и конфигурация выходного конца вала могут меняться по согласованию с потребителем.

Двигатели МГ-70/400 могут поставляться с клеммной колодкой или кабелем необходимой длины, кронштейном или без него.

Характеристики и режимы работы МГ-70/400

Характеристика	Показатель
Напряжение питания,В	115±4,6
Частота напряжения питания, Гц	400±20
Номинальная мощность,Вт	70
Номинальный вращающий момент, Нхм (гсхсм)	58,8х10-3 (600)
Потребляемый ток, А, не более: — обмотка 1-2 — обмотка 3-4 — общий	2,1 0,8 2,2
Потребляемая мощность при холостом ходе, Вт, не более	85
Частота вращения при номинальном моменте, об/мин, не менее	11500
Номинальный режим работы	Продолжительный
Направление вращения вала при включении двигателя по схеме	левое
Масса, кг, не более	1,2
Гарантийный срок эксплуатации, лет	7

Схема и габаритные размеры МГ-70/400

Варианты исполнения, подбор, конструирование и производство двигателей:

• Ремонт и модернизация асинхронных электрических двигателей производства российских и зарубежных производителей;

• Подбор, конструирование и разработка асинхронных электрических двигателей по техническому заданию Заказчика;

• Производство асинхронных электродвигателей и их комплектующих в соответствии с  конструкторской документацией Заказчика;

• Осуществление гарантийного и постгарантийного обслуживания асинхронных электродвигателей.

гистерезисный — это… Что такое гистерезисный?

гистерезисный

гистер’езисный

Русский орфографический словарь. / Российская академия наук. Ин-т рус. яз. им. В. В. Виноградова. — М.: «Азбуковник». В. В. Лопатин (ответственный редактор), Б. З. Букчина, Н. А. Еськова и др.. 1999.

• гистерезис
• гистерон-протерон

Смотреть что такое «гистерезисный» в других словарях:

• гистерезисный — …   Орфографический словарь русского языка

• гистерезисный — см. гистерезис; ая, ое. Г ые реакции …   Словарь многих выражений

• гистерезисный момент вращающейся электрической машины — гистерезисный момент Вращающий момент, создаваемый в результате взаимодействия магнитного поля статора и поля остаточного намагничивания ротора вращающейся электрической машины. [ГОСТ 27471 87] Тематики машины электрические вращающиеся в целом… …   Справочник технического переводчика

• ГИСТЕРЕЗИСНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ — синхронный электродвигатель, у которого вращающий момент возникает в результате взаимодействия магнитного поля статора с намагниченным массивным ротором, выполненным из материала с широкой петлей гистерезиса. Гистерезисные электродвигатели… …   Большой Энциклопедический словарь

• гистерезисный двигатель — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN hysteresis motor …   Справочник технического переводчика

• гистерезисный нагрев — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN hysteresis heating …   Справочник технического переводчика

• гистерезисный нагреватель — — [Я. Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN hysteresis heater …   Справочник технического переводчика

• гистерезисный синхронный двигатель — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN hysteresis synchronous motor …   Справочник технического переводчика

• гистерезисный цикл — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN hysteresis cycle …   Справочник технического переводчика

• гистерезисный шлейф — — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом EN magnetic hysteresis loop …   Справочник технического переводчика

АНАЛИЗ ЛОГИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ ГИСТЕРЕЗИСНОГО ТРИГГЕРА | Опубликовать статью ВАК, elibrary (НЭБ)

Тюрин С. Ф.

Доктор технических наук,

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Работа выполнена при поддержке Fostering Innovations on Green Computing and Communications TEMPUS GreenCo project

 «Технологии зеленых вычислений»

Project Number: 530270-TEMPUS-1-2012-1-UK-TEMPUS-JPCR

Grant Holder: University of Newcastle upon Tyne (UK)

АНАЛИЗ ЛОГИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ ГИСТЕРЕЗИСНОГО ТРИГГЕРА

Аннотация

В статье рассмотрен гистерезисный триггер (Г-триггер) или С-элемент Маллера, фиксирующий завершение переходного процесса в так называемых самосинхронных схемах (СмСхСх). СмСхСх рассматриваются как один из перспективных вариантов энергосберегающей «зелёной» логики, работающей на ультранизких напряжениях питания. Получаются логические функции КМОП реализации Г-триггера. Выполняется моделирование в системе схемотехнического моделирования NI Multisim 10 by  National Instruments Electronics Workbench Group. Использование полученных результатов на занятиях по математической логике и схемотехнике в технических вузах способствует продвижению технологий «Гринкомпьютинга». Результаты описанного моделирования включены в  разработанную  программу подготовки аспирантов (PhD) по проекту ТЕМПУС.

Ключевые слова: Г-триггер, самосинхронная схема, переходный процесс, индикатор, КМОП – реализация, NI Multisim 10 by  National Instruments Electronics Workbench Group.

Tyurin S.F.

Doctor of Technical Sciences,

Perm National Research Polytechnic University

LOGICAL ANALYSIS MULLER C-ELEMENT

Abstract

The article discusses the Muller C-element. C-element fixing the completion of the transition process in the so-called self-timed circuits (STC). Gets a Boolean function for CMOS implementation of the C-element. Describes the modeling element in the  NI Multisim 10 by  National Instruments Electronics Workbench Group.

Keywords: Muller C-element, self-timed circuits (STC), CMOS, logical function, NI Multisim 10 by  National Instruments Electronics Workbench Group.

Г-триггер (гистерезисный триггер, Г-триггер или С-элемент Маллера) один из основных элементов так называемых самосинхронных схем СмСхСх [1]. Г-триггер фиксирует завершение переходных процессов в индикаторах СмСхСх и в себе самом.

Пример КМОП реализации СмСхСх [2]  с индикатором – элементом 2ИЛИ-НЕ, формирующим сигнал индикации I (реализация  переноса в бинарном сумматоре) показан на Рис.1:

Рис. 1 – Самосинхронная  реализация функции бинарного переноса – мажоритарной функции

Переменные подаются в парафазном коде – имеются отрицания N переменных A,B,C переменных. Выход схемы также парафазный (Р, NР)

На Рис.1 условно показана  реализация  логических функций:

.

Именно индикатор оценивает выходные парафазные сигналы. В фазе гашения, когда на входы A,B,C, NA, NB, NC подаётся так называемый спейсер (A=1,B=1,C=1, NA=1, NB=1, NC=1), тогда Р=0, NР=0,  I=1, то есть схема готова к выполнению рабочей фазы. В ней  входы (A,B,C)  и  (NA, NB, NC) инверсны (ортогональны), поэтому  если Р=1, NР=0,  если Р=0, NР=1,   то есть I=0 в рабочей фазе. А сигналы различных индикаторов самосинхронной  схемы «собираются» Г триггерами.

Вызывает интерес исследование и моделирование такого триггера в связи тем, что самосинхронная схемотехника, как предполагают, является весьма перспективной для так называемого «Гринкомпьютинга» [3-5] в рамках образовательного проекта ЕС: Fostering Innovations on Green Computing and Communications TEMPUS GreenCo project  «Технологии зеленых вычислений»

ProjectNumber: 530270-TEMPUS-1-2012-1-UK-TEMPUS-JPCR
Grant Holder: University of Newcastle upon Tyne (UK).

Функция переходов Г триггера

Известен гистерезисный элемент (Г- триггер), содержащий три двухвходовых элемента 2И-НЕ, один трёхвходовой элемент 3И-НЕ [1] – Рис.2:

Рис. 2 – Г- триггер на базе трёх элементов 2И-НЕ и одного 3И-НЕ

Г- триггер  анализирует завершение переходных процессов на входах а,в и на своём выходе. То есть ситуация Рис.2 – это исходное состояние.

Функция переходов Г- триггера, изображённого на Рис.2 имеет вид:

То есть, Г- триггер перейдёт из состояния 0 в состояние 1, если а=в=1;

из состояния 1 в состояние 0, если а=в=0.

Моделирование работы Г триггера

Выполним моделирование логики работы Г триггера в системе схемотехнического моделирования NI Multisim 10 by  National Instruments Electronics Workbench Group.

 Допустим, изменяется сигнал а – становится равным 1-Рис.3:

Рис. 3 – Сигнал а =1, в=0, выход Г триггера=0

Выход Г триггера не изменяется, он продолжает быть равным 0. Если все входные сигналы принимают значение 1 (все индикаторы некоторой самосинхронной схемы сработали в фазе гашения), то триггер устанавливается в состояние 1 – Рис.4:

Рис. 4 – Сигнал а =1, в=1, выход Г триггера =1

По сигналу Г-триггера  начинается рабочая фаза – например,  изменяется сигнал а – становится равным 1, состояние триггера не изменяется – Рис. 3:

Рис. 5 – Сигнал а =0, в=1, выход Г триггера =1

Если все входные сигналы принимают значение 0 (все индикаторы некоторой самосинхронной схемы сработали в рабочей фазе), то триггер устанавливается в состояние 0, что означает готовность к очередной фазе гашения – Рис.6:

Риc. 6 – Сигнал а =0, в=0, выход Г триггера=0

Г триггер, как библиотечный элемент

Для реализации Г триггера (Рис.1) необходимо 18 транзисторов – 4 транзистора в каждом из трёх элементов 2И-НЕ и 6 транзисторов в элементе 3И-НЕ. Имеются библиотека элементов самосинхронной схемотехники, в которой есть Г триггер, построенный из транзисторных пар базового матричного кристалла (БМК)[2] и удовлетворяющий требованию однокаскадности  [6]  – Рис.7:

Рис. 7 – Библиотечный элемент  GI2  –  G-триггер с двумя унарными входами; а) УГО – условное графическое обозначение,   б) схема электрическая функциональная, в)  схема электрическая принципиальная

В [6]   показана некорректность схемы Г триггера Рис. 1 относительно задержек сигналов. В «правильном» Г – триггере GI2 всего  12 транзисторов – Рис.7. Указано, что элемент GI2 состоит из элемента А222ОI  и инвертора  INV.

Оказывается, А222ОI как отдельный элемент выглядит иначе [2]    – Рис.8:

Риc. 8 – Библиотечный элемент  А222ОI – 2И-2И-2И-3ИЛИ-НЕ; а) УГО – условное графическое обозначение,   б) схема электрическая принципиальная

А222ОI описывается выражением:

Проверим ортогональность верхней и нижней КМОП подсхем. Получим выражение подключения шины «+» питания Еп:

.

Действительно, любой один ноль по входным переменным (в верхней части схемы транзисторы открываются нулём) в каждой из трёх скобок приведёт  равенству единице выражений 4,5, то  есть ток от«+» питания Еп будет протекать к выходу О.

Получим уравнения подключения шины «Ноль вольт»:

Действительно, равенство единице каждой трёх конъюнкций приведёт  к равенству единице выражения 6 (в верхней части схемы транзисторы открываются единицей) то  есть ток от«Ноль вольт» будет протекать к выходу О.

Очевидно, что  выражения 5 и 6 ортогональны.

Однако, вернёмся к Г триггеру – Рис.7. Несоответствие  указанного на нём элемента А222ОI и элемента Рис.8 связано с тем, что в Г триггере использован внутренний вход Q.

Получим уравнения подключения шины «+» питания Еп – Рис.7:

Преобразуем это выражение:

упрощая которое, получим:

что мы и видим на схеме Рис.7.

Уравнения подключения шины «Ноль вольт»  имеет вид:

что также  мы и видим на схеме. То есть схемы соединения транзисторов в верхней и нижней подсхемах Рис.7 совпадают.

Получим на основании выражения (7) функцию переходов:

что соответствует выражению (3).

Таким образом, исследован гистерезисный триггер (Г-триггер) или С-элемент Малера, фиксирующий завершение переходного процесса в так называемых самосинхронных схемах (ССС). Выполнено моделирование в системе схемотехнического моделирования NI Multisim 10 by  National Instruments Electronics Workbench Group, подтвердившее правильность логики работы Г-триггера. Получены логические функции КМОП реализации Г-триггера, как библиотечного элемента. Использование полученных результатов на занятиях по математической логике и схемотехнике в технических вузах способствует дальнейшему продвижению технологий «Гринкомпьютинга». Результаты описанного моделирования включены в  разработанную  программу подготовки аспирантов (PhD) по проекту ТЕМПУС.

Литература

1. Апериодические автоматы: Под редакцией Варшавского В.И. – М.: Наука, 1976. – С.304.
2. Ю.А. Степченков, А.Н. Денисов, Ю.Г. Дьяченко, Ф.И. Гринфельд, О.П. Филимоненко, Н.В. Морозов, Д.Ю. Степченков. Библиотека элементов для проектирования самосинхронных полузаказных микросхем серий 5503/5507 и 5508/5509 — М.: ИПИ РАН, 2012. — 1348 с. С. 425
3. Тюрин С.Ф. Аляев Ю.А. Зелёная волна. Образовательные ресурсы и технологии. 2014. № 5 (8). С. 144-157.
4. Тюрин С.Ф., Плотникова А.Ю. Концепция «зелёной логики». Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления 2013. № 8. С. 61-72.
5. Kamenskih, A.N., Tyurin, S.F. Application of redundant basis elements to increase self-timedcircuits reliability Proceedings of the 2014 IEEE North West Russia Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference, ElConRusNW 2014.
6. Ю.А. Степченков, А.Н. Денисов, Ю.Г. Дьяченко, Ф.И. Гринфельд, Н.В. Морозов,Л.П. Плеханов, О.П. Филимоненко, Ю.П. Фомин. Библиотека самосинхронных   элементов для технологии БМК. [Электронный ресурс]. – URL:  http://www.asic.ru/images/stories/publ/200.pdf (дата обращения 25.02.2015)

References

1. Aperiodicheskie avtomaty’: Pod redakciej Varshavskogo V.I. – M.: Nauka, 1976. – S.304.
2. Yu.A. Stepchenkov, A.N. Denisov, Yu.G. D’yachenko, F.I. Grinfel’d, O.P. Filimonenko, N.V. Morozov, D.Yu. Stepchenkov. Biblioteka e’lementov dlya proektirovaniya samosinxronny’x poluzakazny’x mikrosxem serij 5503/5507 i 5508/5509 — M. : IPI RAN, 2012. — 1348 s. S. 425
3. Tyurin S.F. Alyaev Yu.A. Zelyonaya volna. Obrazovatel’ny’e resursy’ i texnologii. 2014. № 5 (8). S. 144-157.
4. Tyurin S.F., Plotnikova A.Yu. Koncepciya «zelyonoj logiki». Vestnik Permskogo nacional’nogo issledovatel’skogo politexnicheskogo universiteta. E’lektrotexnika, informacionny’e texnologii, sistemy’ upravleniya 2013. № 8. S. 61-72.
5. Kamenskih, A.N., Tyurin, S.F. Application of redundant basis elements to increase self-timedcircuits reliability Proceedings of the 2014 IEEE North West Russia Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference, ElConRusNW 2014.
6. Yu.A. Stepchenkov, A.N. Denisov, Yu.G. D’yachenko, F.I. Grinfel’d, N.V. Morozov,L.P. Plexanov, O.P. Filimonenko, Yu.P. Fomin. Biblioteka samosinxronny’x   e’lementov dlya texnologii BMK. [E’lektronny’j resurs]. – URL:  http://www.asic.ru/images/stories/publ/200.pdf (data obrashheniya 25.02.2015)

Персональный сайт — Область применения гистерезисных двигателей

Исторически – первая область применения гистерезисных двигателей – это счетчики времени. В них использовались малополюсные гистерезисные двигатели со встроенным редуктором. Гистерезисные двигатели применяются так же для завода пружины механических часов, в качестве привода выключателей в программных механизмах, для подачи бумаги в регистрирующих приборах.

В области гироскопии ГД практически не имеют конкурентов. Здесь выгодно используются все их положительные свойства. К данной области примыкают иные инерционные электроприводы, например, электроприводы для центрифуг и центробежных распылителей, которые находят применение в пищевой промышленности, медицине, а также моделировании перегрузок в машиностроении.

Еще одной областью применения гистерезисных двигателей являются устройства записи и воспроизведения звука и изображения, где ГД используются для вращения дисков магнитофонов, магнитных головок видеомагнитофонов, для перемещения ленты в киноаппаратах и в фототелеграфных устройствах.

Гистерезисные преобразователи используются также в качестве муфт, тахогенераторов, генераторов постоянной частоты и демпферов, в частности, для космических объектов.

С повышением энергетических показателей ГД успешно используется в приводе вентиляторов, мешалок, бытовых приборов, автоматических устройств, синхронных транспортеров, станков, в намоточных устройствах текстильной промышленности, в инерционных аккумуляторах энергии и т.д.

Особенности ГД определяют наиболее предпочтительнее области применения: приборный (при небольших мощностях) управляемый электропривод, групповой привод механизмов.

К настоящему времени ГД нашли широкое применение в маломощных управляемых приводах и системах автоматического управления. Их используют в авиации, в объектах навигации, в маркшейдерских устройствах для привода гироскопов, в атомной энергетике, в пищевой, химической и медицинской промышленностях для привода центрифуг, центробежных распылителей и турбомолекулярных насосов, в устройствах записи воспроизведения информации для вращения дисков и магнитных головок, для перемещения ленты в киноаппаратах, фототелеграфах и магнитофонах; в счетчиках времени и программных механизмах часовой промышленности; в качестве муфт, тахогенераторов, демпферов и т. д.

Однако ГД малопригоден там, где требуется высокая точность поддержания углового положения ротора относительно вращающейся синхронной системы координат при отсутствии информации об этом положении и высокая степень линейности характеристик управления.

Определение гистерезиса по Merriam-Webster

гистер · э · сис | \ ˌHi-stə-ˈrē-səs \ множественные гистерезисы \ ˌHi- stə- ˈrē- ˌsēz \ физика : — замедление эффекта при изменении сил, действующих на тело (как если бы из-за вязкости или внутреннего трения). все манометры должны быть проверены на гистерезис, а также на чувствительность и собственную частоту — H.Д. Грин особенно : — отставание значений результирующей намагниченности в магнитном материале (таком как железо) из-за изменения силы намагничивания.

Что такое гистерезис? — Определение и цикл — Общий класс [видео 2021 года]

Типы гистерезиса

Системы с гистерезисом делятся на две категории:

• Системы с гистерезисом, зависящим от скорости имеют память последних входов, которая исчезает со временем — если вход перестает изменяться и мы ждем достаточно долго, выход в конечном итоге достигнет того же значения для этого конкретного входа.
• Системы с гистерезисом, не зависящим от скорости. сохраняют в постоянной памяти определенные входные шаблоны, и даже значение установившегося состояния выхода зависит от характера истории входа.

Блок переменного тока демонстрирует гистерезис, не зависящий от скорости — в любой момент времени заданное значение может быть 77 или 79 градусов, поэтому, если температура составляет 78 градусов, и вы делаете что-то «внешнее», чтобы сохранить это так, например, откройте окно , или включите нагреватель, выключенное / включенное состояние устройства (которое зависит от того, в каком направлении двигалась температура до того, как мы зафиксировали ее на уровне 78 градусов), никогда не изменится.

Если мы описываем нашу систему уравнением y = F ( x ), где x — это вход, y — выход, а F — это «система», мы можем сказать, что система со скоростью -зависимый гистерезис имеет F, который использует как текущие, так и недавние значения x , тогда как система с независимым от скорости гистерезисом имеет F, который фактически изменяется в ответ на некоторые входные шаблоны.

Полный класс систем с гистерезисом (зависящий от скорости и независимый от скорости) очень широк.Часто анализ систем, зависящих от скорости, вообще не требует концепции гистерезиса, и некоторые авторы определяют гистерезис только как гистерезис, не зависящий от скорости.

Магнитный гистерезис

Один из наиболее часто встречающихся примеров гистерезиса возникает в системах, включающих магнитные поля: например, трансформаторы, используемые в электрическом оборудовании и распределительных сетях. В таких системах катушка с токоведущим проводом используется для создания магнитного поля, и прохождение этого поля через железный сердечник значительно снижает ток, необходимый для данной напряженности поля.Однако утюг также вносит в систему гистерезис.

Iron облегчает создание магнитного поля, поскольку ведет себя так, как будто содержит большое количество маленьких магнитов, которые могут свободно вращаться: они называются доменами. В ответ на поле катушки некоторые домены выравниваются и увеличивают общее поле. Небольшие токи вращают только несколько доменов, и если мы уберем ток, они быстро расстанутся. В этом диапазоне работы поле линейно пропорционально току, и мы не наблюдаем гистерезиса.

На более высоких уровнях тока, однако, домены начинают усиливать друг друга и останутся выровненными, если мы уменьшим или даже полностью удалим ток. Магнитное поле все еще уменьшается с уменьшением тока, но не так быстро, как оно увеличивалось. Отклик поля по отношению к току начинает показывать гистерезис. Мы говорим, что сердечник намагничен. Он сохраняет эту намагниченность постоянно, если мы не нагреем ее до высокой температуры или не подадим ток в противоположном направлении, чтобы вынудить домены не выровняться.Постоянство этого эффекта лежит в основе магнитных хранилищ данных: например, кассет и дисководов компьютеров.

В большинстве силовых приложений мы прикладываем переменный ток к катушке, поэтому сердечник намагничивается сначала в одном направлении, а затем в другом. Новый сердечник запускается без поля, но в установившемся режиме зависимость поля от тока имеет петлю гистерезиса . Область внутри этого контура может использоваться для характеристики потерь мощности, эта часть входной мощности нагревает сердечник, а не достигает выхода системы.

Сводка урока

Гистерезис возникает, когда выход системы зависит от исторических входных значений, а также от текущего входного значения. Системы с гистерезисом можно разделить на , зависящие от скорости, (где система в конечном итоге «забывает» прошлые входы) или , не зависящие от скорости (где система постоянно сохраняет эту память). В некоторой литературе определение ограничивается классом, не зависящим от скорости. Магнитные устройства часто показывают гистерезис, который возникает из-за железного сердечника, используемого в системе; в этих системах мы можем использовать петлю гистерезиса для количественной оценки влияния гистерезиса на систему.

Определение гистерезиса

Что такое гистерезис?

Гистерезис в области экономики относится к событию в экономике, которое сохраняется даже после того, как факторы, которые привели к этому событию, были устранены или иным образом исчерпали себя. Гистерезис часто возникает после экстремальных или продолжительных экономических событий, таких как экономический крах или рецессия. Например, после рецессии уровень безработицы может продолжать расти, несмотря на рост экономики и технический конец рецессии.

Ключевые выводы

• Гистерезис в экономике относится к событию в экономике, которое сохраняется в будущем, даже после того, как факторы, которые привели к этому событию, были удалены.
• Гистерезис может включать отсроченные эффекты безработицы, когда уровень безработицы продолжает расти даже после восстановления экономики.
• Гистерезис может указывать на постоянное изменение рабочей силы из-за потери рабочих навыков, что делает работников менее трудоспособными даже после окончания рецессии.

Что такое гистерезис

Термин гистерезис был введен сэром Джеймсом Альфредом Юингом, шотландским физиком и инженером (1855-1935) для обозначения систем, организмов и полей, обладающих памятью. Другими словами, последствия некоторого ввода проявляются с определенным запаздыванием или задержкой. Один пример можно увидеть с железом: железо сохраняет некоторую намагниченность после того, как оно подверглось воздействию магнитного поля и снято с него. Гистерезис происходит от греческого слова, означающего «нехватка» или «дефицит».

Гистерезис в экономике возникает, когда единственное нарушение влияет на ход экономики. Конкретные причины гистерезиса меняются в зависимости от вызывающего события. Тем не менее, сохранение недомогания рынка после того, как событие технически прошло, чаще всего объясняется изменениями во взглядах участников рынка в связи с событием. Например, после обвала рынка многие инвесторы не хотят реинвестировать наличные деньги из-за недавних убытков.Это нежелание выражается в более длительном периоде падения цен на акции из-за отношения инвесторов, а не из-за фундаментальных факторов рынка.

Типы гистерезиса

Гистерезис уровня безработицы

Распространенным примером гистерезиса являются отсроченные эффекты безработицы, когда уровень безработицы может продолжать расти даже после того, как экономика начала восстанавливаться. Текущий уровень безработицы — это процент от числа людей в экономике, которые ищут работу, но не могут ее найти.Чтобы понять гистерезис безработицы, мы должны сначала изучить типы безработицы. Во время рецессии, которая представляет собой сокращение роста в течение двух кварталов подряд, безработица растет.

Когда происходит рецессия, циклическая безработица возрастает, поскольку экономика испытывает отрицательные темпы роста. Циклическая безработица растет, когда экономика работает плохо, и падает, когда экономика находится в стадии роста.

Естественная безработица не является результатом рецессии. Напротив, это результат естественного перетока рабочих на рабочие места и обратно.Естественная безработица объясняет, почему безработные существуют в растущей, стремительно развивающейся экономике. Естественная безработица, также называемая естественным уровнем безработицы, представляет людей, в том числе выпускников колледжей или лиц, уволенных из-за технического прогресса. Постоянное, вездесущее перемещение рабочей силы на работу и без работы составляет естественную безработицу. Однако естественная безработица может быть вызвана как добровольными, так и вынужденными факторами.

Когда рабочих увольняют из-за переезда завода или из-за того, что технологии заменяют их работу, существует структурная безработица.Структурная безработица, которая является частью естественной безработицы, возникает даже тогда, когда экономика здорова и расширяется. Это может быть связано с изменяющейся деловой средой или экономическим ландшафтом и может длиться многие годы. Структурная безработица обычно возникает из-за изменений в бизнесе, таких как переезд заводов за границу, технологические изменения и отсутствие навыков для создания новых рабочих мест.

Почему возникает гистерезис безработицы

Как указывалось ранее, циклическая безработица вызвана спадом делового цикла.Рабочие теряют работу, когда предприятия проводят увольнения в период, характеризующийся низким спросом и снижением доходов бизнеса. Когда экономика снова войдет в фазу роста, ожидается, что предприятия начнут повторно нанимать безработных и что уровень безработицы в экономике начнет снижаться до нормального или естественного уровня безработицы, пока циклическая безработица не станет нулевой. Конечно, это идеальный сценарий. Однако гистерезис говорит о другом.

Гистерезис утверждает, что по мере роста безработицы все больше людей приспосабливаются к более низкому уровню жизни.По мере того, как люди привыкают к более низкому уровню жизни, они могут терять мотивацию для достижения ранее желаемого более высокого уровня жизни. Кроме того, по мере того, как все больше людей становятся безработными, быть или оставаться безработным становится более приемлемым с социальной точки зрения. После того, как рынок труда вернется в норму, некоторые безработные могут не захотеть вернуться на рынок труда. Наконец, что наиболее важно, сами работодатели сильно пострадали во время спада и с большей вероятностью будут требовать больше от оставшихся работников, прежде чем брать на себя большие расходы по добавлению своей рабочей силы.

Гистерезис, обусловленный технологией

Гистерезис безработицы также можно наблюдать, когда предприятия переходят на автоматизацию во время рыночного спада. Рабочие, не обладающие навыками, необходимыми для работы с этим оборудованием или недавно установленной технологией, окажутся без работы, когда экономика начнет восстанавливаться. Помимо найма только технически подкованных сотрудников, эти компании в конечном итоге будут нанимать меньше сотрудников, чем до фазы спада. Фактически, потеря рабочих навыков вызовет перемещение работников из стадии циклической безработицы в группу структурной безработицы.Рост структурной безработицы приведет к увеличению уровня естественной безработицы.

Гистерезис может указывать на постоянное изменение рабочей силы из-за потери рабочих навыков, что делает работников менее трудоспособными даже после окончания рецессии.

Пример гистерезиса

Рецессия, пережитая Великобританией в 1981 году, хорошо иллюстрирует эффекты гистерезиса. В период рецессии в стране безработица резко выросла с 1,5 миллиона в 1980 году до 2 миллионов в 1981 году.После рецессии в период с 1984 по 1986 год безработица выросла до более чем 3 миллионов человек. Беспорядки, вызванные рецессией, привели к структурной безработице, которая сохранялась во время восстановления и с которой было трудно справиться.

Особые соображения

Как предотвратить гистерезис

Страны, переживающие спад и гистерезис, в которых естественный уровень безработицы растет, обычно используют экономические стимулы для борьбы с возникающей в результате циклической безработицей.Экспансионистская денежно-кредитная политика центральных банков, таких как Федеральная резервная система, может включать снижение процентных ставок, чтобы удешевить ссуды и помочь стимулировать экономику. Экспансионистская фискальная политика может также включать увеличение государственных расходов в регионах или отраслях, которые больше всего страдают от безработицы.

Однако гистерезис — это больше, чем циклическая безработица, и он может сохраняться еще долго после восстановления экономики. Для долгосрочных проблем, таких как отсутствие навыков из-за рабочих, вытесненных технологическим прогрессом, программы профессионального обучения могут быть полезны для борьбы с гистерезисом.

Определение гистерезиса на Dictionary.com

[his-tuh-ree-sis] SHOW IPA

/ ˌhɪs təˈri sɪs / PHONETIC RESPELLING

---

сущ. Физика.

— запаздывание реакции тела на изменение сил, особенно магнитных сил, воздействующих на него. Сравните магнитный гистерезис.

явление, проявляемое системой, часто из ферромагнитного или несовершенно эластичного материала, в которой реакция системы на изменения зависит от ее прошлых реакций на изменения.

ВИКТОРИНЫ

ВИКТОРИНА ДЛЯ СЕБЯ НА «БЫЛ» ПРОТИВ. «МЫ»!

Вы были готовы к викторине по этой теме? Ну вот оно! Посмотрите, насколько хорошо вы можете различать использование слов «было» и «было» в этой викторине.

Вопрос 1 из 7

«Было» используется для указательного прошедшего времени «быть», а «был» — только для сослагательного наклонения прошедшего времени.

Начало гистерезиса

1795–1805; дефицит hystérēsis, состояние отставания или запаздывания, следовательно, неполноценность, эквивалент hysterē-, вариант основы hystereîn, чтобы прийти поздно, отставание, словесная производная от hýsteros, идущая позади + -sis-sis

ДРУГИЕ СЛОВА ОТ гистерезиса

hys · ter · et · ic [his-tuh-ret-ik], / ˌhɪs təˈrɛt ɪk /, hys · ter · e · si · al [his-tuh-ree-see-uhl], / ˌhɪs təˈri si əl /, прилагательноеhys · тер · Et · i · cal·ly, наречие

Слова рядом с гистерезисом

истерия, гистералгия, гистератрезия, гистерэктомия, гистерэктомия, гистерезис, петля гистерезиса, потеря гистерезиса, гистерезис, истерия, истерика

Словарь.com Несокращенный На основе Несокращенного словаря Random House, © Random House, Inc. 2021

Примеры предложений из Интернета для гистерезиса

. expandable-content {display: none;}. Css-12x6sdt.expandable.content-extended> .expandable-content {display: block;}]]>

• Хорошо известный пример гистерезиса представлен случаем постоянных магнитов.

• Замкнутая фигура a c d e a по-разному называется кривой гистерезиса, диаграммой или петлей.

• Влияние температуры на гистерезис также было тщательно изучено, и было построено множество петель гистерезиса.

• Следовательно, при выполнении цикла происходит потеря энергии, соответствующая так называемым гистерезисным потерям.

СМОТРЕТЬ БОЛЬШЕ ПРИМЕРОВ СМОТРЕТЬ МЕНЬШЕ ПРИМЕРОВ



Изучить Dictionary.com

li {-webkit-flex-based: 49%; — ms-flex-preferred-size: 49%; flex-base : 49%;} @ экран только мультимедиа и (max-width: 769px) {. Css-2jtp0r> li {-webkit-flex-base: 49%; — ms-flex-предпочтительный-размер: 49%; гибкая основа : 49%;}} @ экран только мультимедиа и (max-width: 480px) {. css-2jtp0r> li {-webkit-flex-base: 100%; — ms-flex-предпочтительный-размер: 100%; flex-base: 100%;}}]]>

Определения гистерезиса в Британском словаре

гистерезис

/ (ˌhɪstəˈriːsɪs) /

---

существительное

физика отставание в переменном свойстве системы по отношению к вызывающему ее эффекту, когда этот эффект изменяется, особенно в том случае, когда плотность магнитного потока ферромагнитного материала отстает от изменение внешней напряженности магнитного поля

Производные формы гистерезиса

гистерезис (ˌhɪstəˈrɛtɪk), прилагательное гистерезис, наречие

Происхождение слова для гистерезиса

C19: от греческого husterēsis, прибывающего позже, от husteros, идущего после английского словаря

— Complete Цифровое издание 2012 г. © William Collins Sons & Co.Ltd. 1979, 1986 © HarperCollins Издательство 1998, 2000, 2003, 2005, 2006, 2007, 2009, 2012

Медицинские определения гистерезиса

гистерезис

[hĭt′-rē´sĭs]

---

n.

пл. hys • ter • e • ses (-sēz)

Отставание эффекта от его причины, например, когда изменение магнетизма тела отстает от изменений магнитного поля.

Другие слова из гистерезиса

hys′ter • et′ic (-rĕt′ĭk) прил.

Медицинский словарь American Heritage® Stedman’s Авторские права © 2002, 2001, 1995 компании Houghton Mifflin.Опубликовано компанией Houghton Mifflin.

Научные определения гистерезиса

гистерезис

[hĭs′tə-rē′sĭs]

---

Зависимость состояния системы от истории ее состояния. Например, намагниченность такого материала, как железо, зависит не только от магнитного поля, которому он подвергается, но и от предыдущего воздействия магнитных полей. Эта «память» о предыдущем воздействии магнетизма является принципом работы аудиопленок и жестких дисков.Деформации формы веществ, которые сохраняются после снятия деформирующей силы, а также такие явления, как переохлаждение, являются примерами гистерезиса.

Научный словарь американского наследия® Авторские права © 2011. Издано издательской компанией Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company. Все права защищены.

Другие читаютli {-webkit-flex-base: 100%; — ms-flex-предпочтительный размер: 100%; flex-base: 100%;} @ media only screen и (max-width: 769px) {. Css -1uttx60> li {-webkit-flex-базис: 100%; — ms-flex-предпочтительный-размер: 100%; гибкий-базис: 100%;}} @ экран только мультимедиа и (max-width: 480px) {.css-1uttx60> li {-webkit-flex-базис: 100%; — ms-flex-предпочтительный-размер: 100%; гибкий-базис: 100%;}}]]>

Магнитный гистерезис — Engineering LibreTexts

A магнитный гистерезис , иначе известный как петля гистерезиса , представляет собой представление силы намагничивания (H) в зависимости от плотности магнитного потока (B) ферромагнитного материала. Кривизна гистерезиса характерна для типа наблюдаемого материала и может различаться по размеру и форме (то есть узкая или широкая).Петля может быть создана с помощью датчика Холла для измерения величины магнитного поля в различных точках — в присутствии магнитного поля, когда оно удаляется из магнитного поля и когда прикладывается сила, приводящая к магнитному полю. поток обратно к нулю. Эти петли важны для емкости памяти устройств для аудиозаписи или магнитного хранения данных на дисках компьютера.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): б). Эти дипольные моменты настолько упорядочены, что при удалении от магнитного поля остается некоторая остаточная намагниченность.Чтобы уменьшить магнитный поток до нуля, необходимо применить коэрцитивную силу, при которой дипольные моменты компенсируют друг друга. Таким образом, эта петля гистерезиса суммирует путь, который проходит ферромагнитный материал от добавления и удаления намагничивающей силы.

Структура петли гистерезиса

Петли гистерезиса начинаются в начальной точке (H = 0), в которой ее магнитные дипольные моменты дезориентированы, а материал изображает парамагнетизм. Когда к материалу добавляется намагничивающая сила (H), он следует по пути до точки насыщения (+ Hs).В этот момент все магнитные дипольные моменты выровнены в направлении силы намагничивания, и магнитный поток больше не увеличивается. Когда H уменьшается до нуля, остается некоторая остаточная намагниченность; эта точка известна как точка удержания (+ Br). Чтобы удалить эту остаточную намагниченность, коэрцитивная сила намагничивания применяется в обратном направлении. Точка, в которой больше нет магнитного потока (B = 0) из-за компенсации дипольных моментов, действующих в противоположных направлениях, известна как точка коэрцитивности (-Hc).Когда сила намагничивания увеличивается в отрицательном направлении, происходит такое же насыщение, как и раньше, но в противоположном направлении (-Hs). Цикл продолжается с равной, но противоположной точкой удерживания (-Br) и точкой коэрцитивности (+ Hc) до исходной точки насыщения (+ Hs). На рисунке 2 изображена петля гистерезиса полного цикла, где точки a и d представляют собой +/- Hs, точки b и e представляют собой +/- Br, а точки c и f представляют собой +/- Hc. Спины магнитного диполя в этих соответствующих точках можно увидеть на рисунке 3, где спины сначала дезориентируются, затем выравниваются с магнитным полем и, наконец, не выравниваются до тех пор, пока моменты не уравняются друг с другом, чтобы не создавать результирующий магнитный момент.Также обратите внимание, что кривая никогда не возвращается в начало координат (B и H = 0). Чтобы вернуться к этой точке, материал необходимо размагнитить (то есть вернуться к парамагнитным свойствам), ударив материал о поверхность, изменив направление намагничивающего поля или нагревая его до температуры Нееля. При этой температуре ферромагнитный материал становится парамагнитным из-за тепловых флуктуаций магнитных дипольных моментов, которые дезориентируют спины.

Варианты петель гистерезиса

Таблица 1.Температура насыщения ферромагнитных материалов Fe, Co и Ni при 0 К.

Металл	Hs [А / м]
Fe	1,75 x 10 6
Co	1,45 x 10 6
Ni	0,51 х 10 6

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \):.

Важность петель гистерезиса

Петли гистерезиса важны в конструкции нескольких электрических устройств, которые подвержены быстрому изменению магнетизма или требуют хранения в памяти.Магнитомягкие материалы (то есть материалы с меньшими и более узкими областями гистерезиса) и их быстрое изменение магнетизма полезны в электрическом оборудовании, которое требует минимального рассеивания энергии. Трансформаторы и сердечники, используемые в электродвигателях, получают выгоду от использования этих материалов, поскольку они теряют меньше энергии в виде тепла. Твердые магнитные материалы (т. Е. Петли с большей площадью) имеют гораздо более высокую удерживающую способность и коэрцитивную силу. Это приводит к более высокой остаточной намагниченности, полезной в постоянных магнитах, где размагничивание трудно достичь.Жесткие магнитные материалы также используются в устройствах памяти, таких как аудиозаписи, дисководы компьютеров и кредитные карты. Высокая коэрцитивность этих материалов не позволяет легко стереть память.

Вопросы

1. Обозначьте следующую петлю гистерезиса.

2. Какими 3 способами размагнитить ферромагнитный материал?

3. Какой из этих элементов (Fe, Co, Cr, Ni) не будет создавать петлю гистерезиса? Почему?

ответов

1.а) Точка насыщения — Hs

б) Точка удерживания — Br

c) Точка коэрцитивности — Hc

2. Ударьте ферромагнитным материалом о поверхность, чтобы дезориентировать магнитные дипольные моменты, изменить направление петли гистерезиса, нагреть материал выше его критической температуры.

3. Cr не создает петли гистерезиса, потому что он антиферромагнитен. Fe, Co и Ni являются ферромагнитными и поэтому создают петлю гистерезиса.

Список литературы

1. Хаммель, Рольф Э. Электронные свойства материалов: введение для инженеров. Берлин: Springer-Verlag, 1985. Печать.
2. Чиказуми, Сошин и К.Д. Грэм. Физика ферромагнетизма. Oxford: Claredon, 1997. Печать.
3. Ralls, Кеннет М., Томас Х. Кортни и Джон Вульф. Введение в материаловедение и инженерию. Нью-Йорк: Wiley, 1976. Печать.
4. Бертотти, Джорджо. Гистерезис в магнетизме: для физиков, материаловедов и инженеров. Сан-Диего: Академический, 1998. Печать.

Авторы и авторство

• Саманта Дрис (бакалавр материаловедения и инженерии, Калифорнийский университет в Дэвисе | июнь 2016 г.)

Гистерезис и его измерение

Гистерезис можно определить как что-то, что происходит, когда физическое состояние зависит от его истории. Классическим примером гистерезиса в действии является бытовой термостат. Он имеет встроенный гистерезис для предотвращения быстрой смены циклов.Его низкие уровни включения и высокие уровни отключения предназначены для предотвращения быстрого переключения системы отопления / охлаждения, которое могло бы быстро повредить и в конечном итоге разрушить контроллеры и нагрузки.

Магнитно-мягкий материал в конечном итоге насыщается при приложении магнитного поля, достигая плотности магнитного потока насыщения. Если приложенное магнитное поле затем постепенно ослабевает до нуля, материал демонстрирует остаточную намагниченность. Такое поведение вызывает гистерезисное поведение. Гистерезис на кривой поведения триггера Шмитта выражен более резко.Как и в этих двух примерах, кривые гистерезиса часто напоминают параллелограмм, но не всегда. Примером может служить обычная резинка. Растягивание ремешка дает определенную длину, но ремешок показывает немного большую длину, поскольку он разгружен, потому что ремешок не полностью подчиняется закону Гука.

Во многих примерах гистерезиса графики поведения образуют петлю или кривую гистерезиса, где одна переменная имеет другое значение в зависимости от направления изменения другой. Один пример такого поведения можно найти в магнитомягких материалах; эта зависимость от истории лежит в основе памяти на жестких дисках.

Поведение гистерезиса часто делится на две категории: простой гистерезис (или гистерезис, не зависящий от скорости) и гистерезис, зависящий от скорости. Системы, демонстрирующие гистерезис, не зависящий от скорости, имеют постоянную память о прошлом, которая остается после того, как переходные процессы исчезли. Петли магнитного гистерезиса в магнитомягком материале не зависят от скорости. Напротив, гистерезис, зависящий от скорости, подразумевает динамическую задержку между входом и выходом. Если вход становится равным нулю, выход продолжает отвечать в течение конечного времени.Таким образом, память о прошлом ограничена, потому что она исчезает, когда выходной сигнал уменьшается до нуля. Фазовое отставание зависит от частоты входа и стремится к нулю при падении частоты. Примером гистерезиса, зависящего от скорости, является гистерезис из-за диссипативных эффектов, таких как трение.

Дребезг контактов в переключателях и шум в электрических сигналах можно уменьшить с помощью

Схема устранения дребезга, изображенная Texas Instruments. Красные линии на кривой входного сигнала триггера обозначают область гистерезиса. Здесь V _T обозначает входное пороговое напряжение.

намеренно добавляет гистерезис. Примером может служить триггер Шмитта, схема компаратора, в которой гистерезис реализуется путем подачи положительной обратной связи на неинвертирующий вход. Выход сохраняет свое значение до тех пор, пока вход не изменится достаточно, чтобы вызвать изменение выхода. Говорят, что триггер Шмитта обладает памятью, что позволяет ему функционировать как бистабильный мультивибратор, также известный как защелка или триггер. Другие приложения — это компьютерная память, релаксационные генераторы, генераторы функций и импульсные источники питания.

Зазор зубчатого колеса иллюстрирует механический гистерезис в компонентах машины. Небольшой зазор между зацепляющимися шестернями допускает потерю хода (люфт) — если вращение ведущей шестерни меняется на обратное, ведомая шестерня не начнет двигаться, пока ведущая шестерня не восстановит контакт. Цилиндрические зубчатые колеса имеют наибольший люфт, планетарные редукторы — малый люфт, а зубчатые передачи с гармонической передачей — не люфт.

Измерение характеристик гистерезиса обычно несложно. В качестве примера рассмотрим процедуру измерения гистерезиса магнитных сердечников, используемую в индукторах и трансформаторах.Петля магнитного гистерезиса позволяет многое узнать о таких факторах, как потери мощности в сердечнике и максимально допустимая модуляция. Более того, эти качества часто не входят в спецификации материала. Они должны быть определены для индивидуального использования, потому что форма волны, частота, рабочий цикл и другие факторы влияют на них.

Для измерения свойств сердечника сердечник должен быть намотан с двумя обмотками, считывающей и ведущей обмотками. У обоих одинаковое количество витков, обычно чем больше, тем лучше.На первую обмотку подается переменный ток интересующей частоты. Его ток I прямо пропорционален напряженности поля H. Вторая обмотка измеряет результирующее напряжение E. Затем можно рассчитать индукцию B.

При измерениях магнитной индукции сердечника используется тот факт, что генерируемый E в обмотках пропорционален изменению магнитного потока dΦ внутри сердечника: E = -N (dΦ / dt). Плотность потока равна произведению магнитной индукции на площадь поперечного сечения сердечника Φ = B · Ac.Связь между изменением индукции и E: ΔB = (Δt · E) / (- N · Ac). Интеграция этого изменения индукции ΔB позволяет рассчитать индукцию как функцию B:

Один из подходов к измерению гистерезиса с помощью цифрового осциллографа. Здесь R мало, порядка 1 Ом, а N1 = N2, чем больше витков, тем лучше.

Современные цифровые осциллографы обычно имеют математические параметры, которые включают интеграцию, которая позволяет самому осциллографу выполнять это измерение. Интегрирование вторичного напряжения дает поток в В-сек (Webers).Преобразуется в плотность потока как B = Φ / (N · Ac)

.

Для отображения кривой гистерезиса осциллограф установлен в режим X-Y с напряженностью поля H, нанесенной на ось X, и плотностью потока B на оси Y.

Наконец, последний гистерезисный эффект, который следует учитывать: одним из многих печальных последствий нынешней чумы covid-19 является рост числа безработных. К сожалению, оказывается, что структурная безработица гистерезисна. Это означает, что в лучшем случае между концом Covid-19 и полной занятостью будет значительный временной лаг.Существует множество факторов, которые могут внести большой гистерезис в уравнение рабочего места после пандемии. Например, потеря профессиональных навыков значительной частью безработных или изменения в должностных инструкциях, которые приводят к устареванию ранее ценных знаний работников.

Конечно, нельзя быть уверенным, что эта мрачная оценка полностью верна. Будем надеяться, что кривая гистерезиса окажется небольшой.

Растяжимые материалы с высокой вязкостью и низким гистерезисом

Значение

Для многих приложений в машиностроении требуются растягиваемые материалы, которые рассеивают мало энергии при нормальной работе циклических нагрузок (низкий гистерезис), но рассеивают много энергии, чтобы противостоять разрыву (высокая прочность) и выжить длительные циклические нагрузки (устойчивы к усталости).Однако существующие растяжимые материалы не могут одновременно удовлетворять этим требованиям. Здесь мы представляем принцип для достижения этой цели и демонстрируем принцип, состоящий из двух растяжимых материалов с низким гистерезисом, с большим модульным контрастом и сильной адгезией. Композит сохраняет низкий гистерезис, но он намного прочнее и устойчивее к усталости, чем его составляющие. Тот же принцип применим к эластомерам, гелям и гибридам эластомер-гель. Этот класс материалов предоставляет возможности для создания мягких роботов с высоким циклом и малым тепловыделением, а также мягких человеко-машинных интерфейсов.

Abstract

В материалах всех типов гистерезис и вязкость обычно взаимосвязаны. Например, сильно растяжимый эластомер или гидрогель с единой полимерной сеткой имеет низкий гистерезис и низкую вязкость. Единую сеть обычно укрепляют путем введения жертвенных связей, но разрыв и, возможно, реформирование жертвенных связей вызывает выраженный гистерезис. В этой статье мы описываем принцип растяжимых материалов, которые нарушают корреляцию между вязкостью и гистерезисом, обеспечивая как высокую вязкость, так и низкий гистерезис.Мы демонстрируем принцип, производя композит из двух компонентов: матрицы с низким модулем упругости и волокон с высоким модулем упругости с сильным сцеплением между матрицей и волокнами, но без жертвенных связей. Оба компонента имеют низкий гистерезис (5%) и низкую ударную вязкость (300 Дж / м ² ), тогда как композит сохраняет низкий гистерезис, но обеспечивает высокую ударную вязкость (10 000 Дж / м ² ). Оба компонента склонны к усталостному разрушению, в то время как композит обладает высокой устойчивостью к усталости.Мы проводим эксперимент и вычисления, чтобы убедиться, что большой контраст модуля снижает концентрацию напряжений на фронте трещины, и что сильная адгезия связывает волокна и матрицу и подавляет скольжение между ними. Растяжимые материалы с высокой прочностью и низким гистерезисом открывают возможности для создания мягких роботов с большим циклом и малым тепловыделением, а также мягких человеко-машинных интерфейсов.

Эластичные материалы, такие как эластомеры и гели, позволяют создавать быстро меняющиеся мягкие (и, возможно, биосовместимые) системы.Примеры включают растягиваемую электронику (1⇓⇓ – 4), мягкие роботы (5, 6), ионотронику (7⇓ – 9), доставку лекарств (10, 11) и регенерацию тканей (12). Многие системы требуют, чтобы растяжимые материалы имели высокую ударную вязкость (то есть рассеивали много энергии, чтобы противостоять распространению трещин), но имели низкий гистерезис (то есть рассеивали мало энергии при нормальной работе нагрузки и разгрузки). Однако эти два требования обычно противоречат друг другу: прочность и гистерезис часто взаимосвязаны. И прочность, и гистерезис являются результатом рассеивания энергии в разных условиях.Поддающийся растяжению материал с одиночной полимерной сеткой обычно имеет низкий гистерезис и низкую вязкость, то есть кривые напряжение – растяжение для нагрузки и разгрузки почти совпадают, а при наличии трещины материал разрывается при значительно уменьшенном растяжении (13).

Корреляция между вязкостью и гистерезисом имеет молекулярное происхождение (рис. 1 A ). Поддающийся растяжению материал, такой как эластомер или гель, имеет молекулярную архитектуру, которая смешивает сильные и слабые связи, обеспечивая гибридное поведение твердого и жидкого.Прочные связи (например, ковалентные связи) связывают мономерные звенья в полимерные цепи и сшивают полимерные цепи в сеть. Слабые связи (например, водородные связи и ван-дер-ваальсово взаимодействие) объединяют мономерные звенья различных полимерных цепей, а также молекулы растворителя в конденсированную фазу, но позволяют им постоянно менять соседей, незначительно передавать силу и действовать как жидкость. низкой вязкости. Слабые межцепочечные связи позволяют сети быть энтропийной пружиной с низким гистерезисом.Трещина концентрирует растяжение и разрывает полимерные цепи впереди, в то время как сеть за пределами плоскости трещины остается упругой. Эта концентрация растяжения обуславливает низкую ударную вязкость от 10 до 100 Дж / м ² , оцениваемую по энергии связи одного слоя полимерных цепей на единицу площади (14).

Рис. 1.

Прочность и гистерезис. ( A ) Ненаполненная полимерная сетка обычно имеет низкую вязкость и низкий гистерезис. В передней части трещины полимерная цепь сильно растянута, и ее разрыв приводит к рассеиванию энергии, накопленной во всей цепи.( B ) Первичная сеть, добавленная жертвенными связями, имеет высокую прочность и высокий гистерезис. Первичная сеть передает напряжение от передней части трещины в основную часть сети, разрывая множество жертвенных связей с плоскости трещины и рассеивая большое количество энергии. ( C ) Композит из мягкой матрицы и твердых волокон имеет высокую прочность и низкий гистерезис. В передней части трещины мягкая матрица сильно срезается, чтобы распространить большое растяжение по длинному сегменту каждого волокна, а разрыв волокна рассеивает энергию в этом сегменте.( D ) Диаграмма вязкости – гистерезиса. Многие существующие эластомеры и гели занимают диагональную область, но натуральный каучук и наш композитный ПДМС занимают верхний левый квадрант. ( E ) Диаграмма «вязкость – модуль». Прочность чистого PDMS собрана из литературы (27). В этой работе измеряется прочность Sylgard PDMS и композитного PDMS. Некоторые композиты имеют низкую ударную вязкость, поскольку они имеют низкий контраст модуля волокна / матрицы. Гистерезис композитного PDMS и гомогенного Sylgard PDMS измеряется в этой работе для растяжения между 1.5 и 1.8. Гистерезис других материалов получен из литературы (17⇓ – 19, 28⇓ – 30, 38, 39) для растяжения от 1,5 до 3. (Все другие материалы, показанные здесь, намного более растяжимы, чем PDMS. Гистерезис для естественного каучук может быть очень маленьким при растяжении ниже 3.)

Единичную сетку обычно упрочняют путем введения протекторных связей через наполнители (15, 16) или вторичную полимерную сетку (17⇓ – 19). Трещина разрывает не только слой полимерных цепей первичной сетки, но и многие жертвенные связи от плоскости трещины (рис.1 В ). Синергия разрыва первичной сети и рассеивания жертвенных связей увеличивает прочность до 10 ³ –10 ⁵ Дж / м ² . Гидрогели с двойной сеткой (17) и эластомеры (19) эластичны при небольшом растяжении. Диапазон упругости можно регулировать, например, предварительным растяжением (20). В этих подходах сочетаются прочность и гистерезис. Некоторые типы разорванных жертвенных уз не восстанавливаются, а другие — восстанавливаются. Если жертвенные связи постепенно разрываются и не восстанавливаются, кривая напряжения – растяжения меняется цикл за циклом, и считается, что материал повреждается от усталости.Если разорванные жертвенные связи восстанавливаются, кривая напряжения-растяжения образует устойчивую петлю в последующих циклах нагрузки и разгрузки, и говорят, что материал заживает. В материале, содержащем жертвенные связи, заживляемые или нет, трещина расширяется цикл за циклом, когда величина нагрузки превышает пороговое значение, намного ниже прочности (21–23). Даже для материала, который заживает после усталостного повреждения, гистерезис, связанный с жертвенными связями, потребляет энергию, усложняет поведение при напряжении и растяжении и крайне нежелателен во многих приложениях, таких как роботы, датчики и исполнительные механизмы.

Нас вдохновляют материалы, которые обеспечивают высокую прочность без использования проточных связок. Кости и перламутровые раковины имеют микроструктуру «кирпичного раствора», которая сопротивляется разрушению за счет образования извилистой трещины (24). Комбинация разнородных материалов давно позволяет создавать такие композиты, как армированные волокном пластмассы (25) и эластомеры (26). Эти материалы, хотя и не растягиваются, обладают высокой прочностью и низким гистерезисом.

Здесь мы показываем, что принцип композитов также позволяет создавать растяжимые материалы, которые нарушают корреляцию между вязкостью и гистерезисом, обеспечивая как высокую вязкость, так и низкий гистерезис (рис.1 С ). Мы проиллюстрируем этот принцип, используя композит из двух компонентов: матрицы с низким модулем упругости и волокон с высоким модулем упругости. Матрица и волокна образуют прочное сцепление. На фронте трещины мягкая матрица сильно срезается, распространяя большое растяжение в длинном сегменте каждого волокна. Когда волокно разрывается, вся упругая энергия, запасенная в сильно растянутом сегменте, высвобождается. Эта деконцентрация напряжения аналогична таковой в одиночной полимерной сети, но при разрыве энергия высвобождается в сегменте волокна, а не в полимерной цепи.Первый имеет гораздо больший объем, чем второй. Композитный материал обеспечивает высокую вязкость за счет большого контраста волокна / модуля без потери связи. Композит обеспечивает низкий гистерезис при условии, что волокна и матрица имеют низкий гистерезис и прочную адгезию.

Результаты и обсуждение

Мы продемонстрировали этот принцип, сделав модельный композит полидиметилсилоксана (ПДМС) ( SI Приложение , Рис. S1). Прекурсор (Sylgard 184 от Dow Corning) состоит из двух жидкостей: основы (часть A) и отвердителя (часть B).Мы называем PDMS с массовым соотношением A: B = 10: 1, предложенным поставщиком, «жестким PDMS», а PDMS с более мелкими фракциями отвердителя — «мягким PDMS». Мы делаем тонкую пленку из жесткого ПДМС с помощью формы, разрезаем пленку на волокна с помощью резака для бумаги, выравниваем волокна в предшественнике мягкого ПДМС и отверждаем композит. Композит прозрачный; мы окрашиваем матрицу в полупрозрачный красный цвет, чтобы увидеть волокна и профиль трещины в образце.

Мы измеряем ударную вязкость и гистерезис однородного ПДМС с различным соотношением A: B, а также композитов из твердых волокон и матриц с различным соотношением A: B ( SI Приложение , рис.S2). Затем мы наносим данные вместе с данными для типичных существующих растяжимых материалов на диаграмму «вязкость – гистерезис» (рис. 1 D ). Гистерезис зависит от максимально приложенного растяжения; здесь мы выбираем максимальное растяжение от 1,5 до 1,8 для PDMS и от 1,5 до 3 для других материалов, типичные значения для приложений. На диаграмме корреляция между вязкостью и гистерезисом соответствует диагональной области, а конфликтующие требования высокой вязкости и низкого гистерезиса соответствуют верхнему левому квадранту.Из существующих эластичных материалов многие занимают диагональную область, но натуральный каучук занимает верхний левый квадрант. Натуральный каучук нарушает корреляцию между вязкостью и гистерезисом по необычному механизму. Натуральный каучук представляет собой эластомер с одной сеткой, имеет низкий гистерезис при небольшом растяжении и высокую ударную вязкость, поскольку полимерные цепи подвергаются кристаллизации под действием деформации при большом растяжении. Однако натуральный каучук склонен к усталостному разрушению, поскольку большое растяжение в передней части трещины вызывает повторную кристаллизацию и плавление (14).Наш композитный PDMS также нарушает корреляцию между прочностью и гистерезисом, одновременно обеспечивая высокую прочность сетей, содержащих жертвенные связи, и низкий гистерезис одиночных сетей. Композит обладает высокой устойчивостью к усталости, поскольку его компоненты эластичны до предельного растяжения.

Мы сравниваем несколько видов ПДМС на диаграмме «вязкость – модуль» (рис. 1 E ). Для чистого ПДМС без наполнителей из диоксида кремния ударная вязкость снижается со 100 до 10 Дж / м ² по мере увеличения модуля упругости (27).Этот конфликт между вязкостью и модулем характерен для одноцепочечных эластомеров и гелей, не содержащих жертвенных связей. Sylgard PDMS разрешает конфликт между вязкостью и модулем, но имеет относительно низкую вязкость около 300 Дж / м ² . Мы можем легко настроить ударную вязкость композитного PDMS в диапазоне от 100 до 10 000 Дж / м ² , варьируя контраст модулей и концентрацию волокон. Композиты уравновешивают конфликт прочности и модуля и увеличивают как модуль, так и ударную вязкость.

Растягиваем образцы с предварительно вырезанными трещинами и наблюдаем, как трещины растягиваются (рис. 2). Когда однородный твердый PDMS растягивается в 1,12 раза от его исходной высоты, трещина быстро проходит через весь образец (рис. 2 A, и Movie S1). Когда композитный ПДМС растягивается в 1,5 раза от первоначальной высоты, трещина притупляется и остается стабильной. При дальнейшем растяжении трещина разветвляется вблизи границы раздела между матрицей и волокном (рис. 2 B ). При растяжении 1,9 волокна начинают разрываться в случайном месте далеко впереди фронта трещины, и весь композитный PDMS разрывается (Movie S2).Когда однородный твердый PDMS подвергается циклической нагрузке с максимальным растяжением 1,2, трещина быстро расширяется до достижения максимального растяжения в первом цикле (рис. 2 C ). Когда композит находится под одной и той же циклической нагрузкой, трещина в композите распространяется до границы раздела волокно / матрица в течение 1000 циклов, а затем останавливается без дальнейшего расширения в течение 100000 циклов (рис. 2 D ). Этот эксперимент дает порог усталости выше 160 Дж / м ² для композитного PDMS.Для сравнения, порог усталости составляет около 50 Дж / м ² для натурального каучука (14).

Рис. 2.

Разрушение и усталость однородного ПДМС и композитного ПДМС. Каждый образец приклеивается к двум жестким зажимам и вырезается бритвенным лезвием с трещиной. ( A ) Однородный твердый PDMS разрывается при монотонном растяжении 1,12. ( B ) Композитный PDMS не разрушается при монотонном растяжении 1,85. ( C ) Когда однородный твердый PDMS подвергается циклам нагрузки и разгрузки с максимальным растяжением 1.2, трещина быстро расширяется до достижения максимального растяжения в первом цикле. ( D ) Когда композитный ПДМС подвергается циклам нагрузки и разгрузки с максимальным растяжением 1,2, трещина распространяется до первого волокна впереди в течение 1000 циклов, но затем останавливается без дальнейшего растяжения более 100000 циклов. A: B = 10: 1 для однородного жесткого ПДМС. Для композита A: B = 10: 1 для волокон и 30: 1 для матрицы.

Каждый компонент чувствителен к дефектам, но композит — нет.При вытягивании образцов без предварительно надрезанной трещины однородный твердый ПДМС разрывается при растяжении 1,9, однородный мягкий ПДМС разрывается при растяжении 2,5, а композитный ПДМС разрывается почти на том же участке, что и однородный твердый ПДМС (рис. 3 ). А ). Однако, когда образцы с предварительно надрезанными трещинами растягиваются, как твердый, так и мягкий ПДМС разрываются при гораздо меньших растяжениях, тогда как композит разрушается примерно при том же растяжении, что и образец без предварительно вырезанной трещины (рис.3 В ).

Рис. 3.

Устойчивость к дефектам, низкий гистерезис и усталостная прочность. ( A ) Кривые напряжение – растяжение образцов без предварительно вырезанных трещин, монотонно растянутых до разрыва. Напряжение определяется как сила, приложенная к деформированному образцу, деленная на площадь поперечного сечения недеформированного образца. ( B ) Кривые напряжение – растяжение образцов с предварительно вырезанными трещинами, монотонно растянутыми до разрыва. ( C ) Кривые напряжение – растяжение образцов без предварительно вырезанных трещин, подвергнутых нагрузке и разгрузке для измерения гистерезиса.( D ) Образцы с предварительно вырезанными трещинами циклируют между участками 1 и 1,2. Протяженность трещины Δc регистрируется как функция количества циклов. A: B = 10: 1 для жесткого ПДМС и волокон композитного ПДМС. A: B = 30: 1 для мягкой PDMS и матрицы составной PDMS.

Гистерезис композита низкий, сравнимый с гистерезисом жесткого и мягкого ПДМС (Рис. 3 C ), но намного ниже, чем у растяжимых материалов, упрочненных протекторными связями (17⇓ – 19) и наполнителями ( 28⇓ – 30) (рис.1 D ). [ПДМС Sylgard 184 действительно содержит небольшое количество кремнеземного наполнителя для изменения реологии предшественника и механических свойств эластомера (31), но все же имеет низкий гистерезис и низкую ударную вязкость, что подтверждается нашими измерениями.]

Каждый компонент является подвержен усталостному разрушению, но композит — нет (рис. 3 D ). Мы циклически повторяем образцы с трещинами от 1 до 1,2 и записываем расширение трещины Δc в зависимости от количества циклов.Трещина существенно расширяется цикл за циклом в твердом и мягком ПДМС, но незначительно в композите.

Наш принцип растяжимых материалов с высокой прочностью и низким гистерезисом требует, чтобы ( и ) волокна были жестче, чем матрица, и (ii) волокна и матрица должны были сцепляться. Далее мы выясняем эти требования путем комбинации эксперимента и вычислений. Мы тестируем однородные образцы с различным соотношением A: B ( SI Приложение , рис.S3), а также композиты из твердых волокон и матриц с различным соотношением A: B ( SI Приложение , рис. S4). Когда матрица также сделана из твердого ПДМС, ударная вязкость композита почти такая же, как у однородного твердого ПДМС. По мере того, как доля отвердителя в матрице уменьшается, ударная вязкость композита увеличивается, а затем достигает плато. Трещина имеет тенденцию разрезать волокна, когда контраст модуля мал (Movie S3), но раздваивается около границы раздела волокно / матрица, когда контраст модуля большой.

Вязкость определяется как энергия, рассеиваемая, когда трещина распространяется на единицу площади ( SI Приложение , рис. S2). Для однородного ПДМС и композита ПДМС с небольшим контрастом модуля волокно / матрица трещина распространяется вперед, и измеренная ударная вязкость является установившейся ударной вязкостью. Для композита PDMS с большим контрастом модуля волокно / матрица процесс разрушения более сложен: трещина может раздвоиться на мягкий PDMS, а твердое волокно PDMS вдали от предварительно вырезанной вершины трещины может сломаться первым.В эксперименте критическое растяжение определяется как растяжение при разрыве волокна. Измеренная вязкость не является постоянной величиной материала и увеличивается с высотой образца ( SI Приложение , рис. S4 F ). Размер образца ограничен в нашем эксперименте, и указанная здесь вязкость является нижней границей устойчивой вязкости. Если образец достаточно большой, трещина будет расширяться вперед с большой зоной обработки. Такая крупномасштабная зона процесса разрушения обычна для вязких материалов.В случае жестких гидрогелей и эластомеров, упрочненных протекторными связями, большая часть энергии рассеивается за пределы определенной плоскости трещины за счет разрыва протекторных связей. Для перламутровых раковин создается извилистая дорожка трещин для упрочнения материала.

Чтобы оценить важность сильной адгезии, мы создаем композит со слабой адгезией, распределяя волокна спандекса (дорластан производства Asahi Kasei) в мягкой матрице PDMS ( SI Приложение , рис. S5). Когда образец с предварительно вырезанной трещиной растягивается примерно на 1.4, трещина растет в матрице, а волокна остаются неповрежденными и скользят по матрице (фильм S4). Кривые напряжение-растяжение показывают больший гистерезис, чем у композитов с сильной адгезией, и разрушение цикл за циклом, что соответствует отслаиванию и скольжению между волокнами и матрицей (Movie S5). В конце концов, отслоившаяся граница раздела превращается в бегущую трещину и разрывает весь образец.

Сильная адгезия между последовательно отвержденными частями PDMS, возможно, ничем не примечательна из-за ковалентных связей и топологических зацеплений (рис.4 А ). Частично отвержденный ПДМС использовался для склеивания слоев ПДМС (32), но исследований адгезии ПДМС в литературе не существует. Чтобы изучить адгезию, напоминающую адгезию композитного ПДМС, мы отверждаем два слоя жесткого ПДМС, закладываем тонкий слой предшественника ПДМС, отверждаем ламинат и дважды отслаиваем ламинат ( SI Приложение , рис. S6). Мы наблюдаем три режима отслаивания (рис. 4 B ), соответствующие различным значениям вязкости отслаивания (рис. 4 C ).Когда средний слой представляет собой твердый ПДМС, сопротивление отслаиванию составляет около 50 Дж / м ² , и образец отслаивается вдоль границы раздела между средним слоем и плечом, оставляя красный средний слой на одном очищенном плече, но не на поверхности. другой (фильм S6). Для среднего слоя A: B = 12: 1 и 15: 1 образец отслаивается либо вдоль границы раздела, либо через средний слой. Когда образец отслаивается по границе раздела, сопротивление отслаиванию низкое. Когда образец отслаивается через средний слой, вязкость отслаивания почти такая же, как и объемная вязкость (более 300 Дж / м ² ), а средний слой оставляет остатки на обоих отслоенных плечах (фильм S7).По мере того как средний слой становится более мягким (A: B = 20: 1 и 30: 1), сопротивление отслаиванию составляет около 200 Дж / м ² , и образец отслаивается через средний слой с волнистым фронтом отслаивания (фильм S8) . Такой волнистый фронт отслаивания обычно наблюдается у мягких клеев (33).

Рис. 4.

Пилинг последовательно отверждаемый ПДМС. ( A ) Жесткий PDMS и мягкий PDMS связаны ковалентными связями и топологическими зацеплениями. ( B ) Фото трех режимов пилинга. Промежуточный слой закреплен между двумя предварительно отвержденными твердыми PDMS.Средний слой окрашен в красный цвет, а его соотношение A: B варьируется от 10: 1 до 30: 1. ( C ) Стойкость к отслаиванию зависит от соотношения A: B среднего слоя. Четыре идентичных образца тестируются для каждого отношения A: B среднего слоя.

Далее мы выясняем значимость большого контраста модуля волокна / матрицы с помощью расчета методом конечных элементов ( SI Приложение , рис. S7). Мягкая матрица сильно срезается и делает растяжение в композите менее концентрированным, чем в гомогенном PDMS.Волокно перед фронтом трещины сильно растянуто на участке макроскопической длины Y ( SI Приложение , рис. S8). Когда волокно разрывается, высвобождается упругая энергия, накопленная в этом большом масштабе длины, что приводит к высокой ударной вязкости. Эта модель очень хорошо предсказывает измеренную ударную вязкость.

Гистерезис может быть низким в материалах, состоящих из компонентов любого размера и геометрии, но ударная вязкость увеличивается с увеличением размера компонентов ( SI Приложение , рис.S9). Композит одноосных волокон сопротивляется разрушению в одном направлении, но легко разрушается в других направлениях. Ламинат с разнонаправленными волокнами устойчив к разрушению во многих направлениях, но при этом может легко расслаиваться. Композиция трехмерной решетки из одного материала в матрице из более мягкого материала будет противостоять трещинам во всех направлениях. Композит из случайно распределенных коротких волокон может также обеспечить высокую вязкость и низкий гистерезис, облегчая при этом изготовление. Последние достижения в таких технологиях, как аддитивное производство (34), электрическое прядение (35) и сборка под напряжением (36), позволяют изготавливать трехмерные структуры, которые объединяют различные материалы в различных масштабах длины.Тот же принцип применим к эластомерам, гелям и гибридам эластомер-гель. Можно также изготавливать растяжимые материалы с высокой прочностью и низким гистерезисом, внедряя волокна с бахромой из нерастяжимого материала в матрицу из поддающегося растяжению материала.

Наши требования к прочной адгезии волокна / матрицы, возможно, удивят исследователей, знакомых с прочными композитами из керамических волокон и керамических матриц, в которых границы раздела между волокном и матрицей спроектированы так, чтобы иметь слабую адгезию (37). В таком керамическом композите контраст модуля волокна / матрицы незначителен.Во время разрушения после растрескивания матрицы слабая адгезия позволяет волокнам оставаться неповрежденными, скользить относительно матрицы и распределять высокое напряжение по длинным сегментам волокон. Напротив, чтобы минимизировать гистерезис в растяжимом композите, здесь требуется сильная адгезия между волокнами и матрицей, и мы полагаемся на большой контраст модуля волокна / матрицы для распределения сильного растяжения на длинные сегменты волокон. Между прочим, композиты из стеклянных или углеродных волокон и пластиковых матриц имеют большой контраст модуля волокна / матрицы и сильную адгезию.Действительно, снижение концентрации напряжений является объединяющим принципом для достижения высокой ударной вязкости как для растяжимых, так и для нерастяжимых материалов.

Заключение

Таким образом, мы продемонстрировали принцип растяжимых материалов с высокой вязкостью и низким гистерезисом. Такой материал представляет собой композицию из двух материалов с низким гистерезисом, большим контрастом модуля и сильной адгезией, но без жертвенных связей. Композит сохраняет низкий гистерезис составляющих, но он намного прочнее и устойчивее к усталости, чем составляющие.Есть надежда, что этот класс материалов скоро превратится в многоцикловых мягких роботов с малым тепловыделением и мягких человеко-машинных интерфейсов.

Материалы и методы

Изготовление материалов.

Мы используем Sylgard 184 от Dow Corning в качестве предшественника для изготовления композитного PDMS. В состав прекурсора входят две жидкости: основа (часть A) и отвердитель (часть B). Выливаем прекурсор в соотношении A: B = 10: 1 в чашку, перемешиваем в миксере (ARE-250; Thinky) при 2000 об / мин в течение 1 мин и дегазируем при 2200 об / мин в течение 1 мин. .Выливаем смесь в прямоугольную акриловую форму толщиной 0,5 мм, снова дегазируем смесь в эксикаторе с вакуумным насосом до тех пор, пока не будут удалены все пузырьки воздуха, и сушим смесь в печи при 65 ° C в течение 4 часов. . Мы разрезаем затвердевшую пленку ПДМС на волокна шириной 1 мм с помощью резака для бумаги, выравниваем волокна в акриловой форме толщиной 0,8 мм, заливаем прекурсор ПДМС в некотором соотношении А: В (в диапазоне от 10: 1 до 30 : 1), дегазировать и снова вылечить. Композит полностью прозрачный; мы добавляем 1 об.% красного красителя (краски для аэрографа Createx) в предшественник матрицы, чтобы увидеть профиль трещин и волокна.Для сравнения также готовят однородные образцы PDMS с различным соотношением A: B.

Гистерезис.

Все механические испытания проводятся на двухколонной испытательной системе Instron 5966. Готовят образцы длиной L = 100 мм, толщиной t = 0,8 мм и высотой между двумя захватами H = 20 мм. Образцы подвергаются циклической нагрузке с некоторым максимальным растяжением при скорости деформации 0,5 / мин (рис. 3 C ).

Прочность.

Мы измеряем ударную вязкость с использованием метода двух образцов, описанного ранее (18).Для материала одинакового состава готовим два образца одинаковых размеров. Один образец не содержит прекрека, а другой — пререкрека ( SI Приложение , Рис. S2 B , Вставки ). Образцы приклеиваются между двумя жесткими пластиковыми захватами с помощью супер силиконового герметика 3M 8661 (приобретенного у McMaster-Carr). В недеформированном состоянии каждый образец имел длину L = 100 мм, толщину t = 0,8 мм, а высоту между двумя захватами H = 20 мм. Образец без трещин используется для измерения кривой «напряжение – растяжение».Все образцы растягиваются со скоростью 0,5 / мин. Когда образец вытягивается до участка λ, область под кривой «напряжение – растяжение» представляет собой плотность упругой энергии в геле, W (λ). Предварительно потрескавшийся образец готовят, вырезая бритвенным лезвием трещину c = 30 мм. Предварительно расколотый образец используется для измерения критического растяжения при разрыве λc. Для однородного ПДМС и композитного ПДМС с небольшим контрастом модуля волокно / матрица предварительно надрезанная трещина распространяется по всему образцу с небольшим растяжением, а λc определяется как растяжение, когда предварительно надрезанная трещина начинает расти.Для композитного ПДМС с большим отношением модуля волокно / матрица предварительно надрезанная трещина разветвляется вблизи границы раздела между матрицей и волокном по мере увеличения растяжения. При критическом растяжении волокна начинают разрываться в произвольном месте далеко впереди фронта трещины, и λc определяется как растяжение при разрыве первого волокна. Во всех случаях прочность определяется выражением Γ = W (λc) H.

Модуль упругости.

Начальный наклон кривой напряжение – растяжение, измеренный на образце без трещин, представляет собой модуль плоской деформации E¯.Эластомер является несжимаемым материалом, поэтому модуль упругости при одноосном растяжении равен E = 3E¯ / 4.

Усталостное разрушение.

Приготовлены образцы размером L = 100 мм, t = 0,8 мм, H = 20 мм, c = 30 мм. Образцы подвергаются циклической нагрузке максимального растяжения λ = 1,2 с фиксированной частотой 0,5 Гц. Цифровая камера используется для записи расширения трещины.

Стойкость к отслаиванию.

Отверждаем два слоя жесткого ПДМС толщиной a = 3 мм, шириной w = 20 мм и длиной l = 100 мм, прослаивая тонкий слой прекурсора PDMS толщиной t = 0.5 мм, длина l _m = 40 мм, а затем полимеризуйте ламинат. Два плеча жесткого ПДМС прикреплены гибкими, но нерастягивающимися пленками (полиэфирная пленка толщиной 50 мкм от McMaster-Carr) с помощью силиконового клея (3M Super Silicone Sealant 8661 от McMaster-Carr). Тонкий средний слой окрашен в полупрозрачный красный цвет и его состав варьируется от 10: 1 до 30: 1. Мы растягиваем два рычага с помощью Instron с постоянной скоростью 10 мм / мин и записываем кривую растяжения (приложение SI, приложение , рис.S6). Плато P _c регистрируется, поскольку трещина неуклонно расширяется. Прочность на отслаивание рассчитывается как Γi = 2Pc / w. Для каждой композиции испытывают четыре идентичных образца.

Работа до разрушения волокон.

Твердые образцы ПДМС без трещин длиной L = 100 мм, толщиной t = 0,8 мм и высотой H = 20 мм растягиваются до разрыва со скоростью 0,5 / мин ( SI Приложение , рис. S8 C ) . Работа до разрыва — это площадь под кривой «напряжение – растяжение».

Конечно-элементное моделирование.

Мы используем коммерческое программное обеспечение конечных элементов ABAQUS для расчета распределения напряжения и скорости выделения энергии. Мы измеряем кривые напряжение – растяжение жесткого и мягкого PDMS и подгоняем их к модели Гента. Идентифицированы два параметра –– модуль сдвига, μ и предел первого инварианта левого тензора деформации Коши – Грина, Jlim –– ( SI Приложение , рис. S7 A и B ). ABAQUS не поддерживает модель Gent напрямую, и мы используем подпрограмму UHYPER для реализации модели Gent.Мы используем элемент CPS8R в ABAQUS. Геометрия представляет собой тонкий лист с L = 100 мм, H = 20 мм. В середине одного края имеется вырез длиной c = 30 мм. Мы предполагаем, что тонкий лист находится в состоянии плоского напряжения. Из-за симметрии геометрии мы моделируем половину листа с симметричной границей в плоскости трещины. Чтобы избежать сингулярности в вершине трещины в расчетах, мы моделируем затупленную вершину с малым радиусом ρ = 0,001 мм перед растяжением. Растягиваем образец до λ = 1,25 и рассчитываем распределение напряжений ( SI Приложение , рис.S7 C и D ).

Выражение признательности

Эта работа была поддержана Научно-исследовательскими и инженерными центрами NSF (грант DMR-14-20570) и частично выполнена Центром наноразмерных систем (CNS), членом Национальной сети нанотехнологической инфраструктуры.