Петли гистерезиса. Петля гистерезиса: механизм возникновения, виды и применение в науке и технике — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое петля гистерезиса. Как возникает магнитный гистерезис. Какие виды гистерезиса существуют. Где применяется явление гистерезиса в науке и технике.

Содержание

Что такое петля гистерезиса и механизм ее возникновения

Петля гистерезиса — это график, отображающий зависимость намагниченности ферромагнитного материала от напряженности внешнего магнитного поля при его циклическом изменении. Гистерезис происходит от греческого слова, означающего «запаздывание» или «отставание».

Механизм возникновения петли гистерезиса связан с особенностями намагничивания и размагничивания ферромагнетиков:

Изначально в ферромагнетике присутствуют домены с разнонаправленными магнитными моментами, суммарная намагниченность равна нулю.
При воздействии внешнего поля домены постепенно ориентируются вдоль поля, возникает намагниченность.
После снятия поля часть доменов сохраняет ориентацию — возникает остаточная намагниченность.
Для полного размагничивания требуется приложить противоположное поле определенной величины — коэрцитивной силы.

В результате при циклическом изменении поля намагниченность изменяется нелинейно, образуя характерную петлю на графике.

Основные параметры и характеристики петли гистерезиса

Петля гистерезиса характеризуется следующими основными параметрами:

Остаточная индукция B_r — намагниченность, сохраняющаяся после снятия поля.
Коэрцитивная сила H_c — напряженность размагничивающего поля.
Индукция насыщения B_s — максимальная намагниченность материала.
Площадь петли — характеризует потери энергии на перемагничивание.

По форме петли и значениям параметров можно судить о магнитных свойствах материала. Узкая петля характерна для магнитомягких материалов, широкая — для магнитотвердых.

Виды гистерезиса в различных физических системах

Помимо магнитного, выделяют следующие основные виды гистерезиса:

Сегнетоэлектрический — зависимость поляризации от электрического поля в сегнетоэлектриках.
Упругий — зависимость деформации от напряжения в упругих материалах.
Тепловой — зависимость температуры от теплового потока в некоторых системах.
Адсорбционный — зависимость адсорбции от давления газа.

Во всех случаях наблюдается характерная петлеобразная зависимость выходного параметра от входного при его циклическом изменении.

Применение явления гистерезиса в науке и технике

Гистерезисные свойства материалов находят широкое применение:

Создание постоянных магнитов на основе магнитотвердых материалов.
Сердечники трансформаторов и электромагнитов из магнитомягких материалов.
Носители информации в устройствах магнитной записи.
Датчики и преобразователи различных физических величин.
Гистерезисные двигатели и муфты.

Ферриты в радиотехнике и электронике.

Понимание явления гистерезиса важно для оптимизации характеристик магнитных материалов и устройств на их основе.

Влияние структуры и состава материала на форму петли гистерезиса

Форма и параметры петли гистерезиса существенно зависят от структуры и состава материала:

Размер зерен и доменов влияет на коэрцитивную силу и остаточную намагниченность.
Наличие примесей и дефектов расширяет петлю и увеличивает потери на перемагничивание.
Химический состав определяет намагниченность насыщения.
Внутренние напряжения искажают форму петли.

Это позволяет использовать анализ петли гистерезиса для контроля структуры и свойств магнитных материалов в металлургии.

Динамические петли гистерезиса при перемагничивании переменным полем

При перемагничивании материала переменным магнитным полем наблюдаются динамические петли гистерезиса, отличающиеся от статических:

Петля расширяется из-за дополнительных потерь на вихревые токи.
Форма петли зависит от частоты перемагничивания.
При высоких частотах петля вырождается в эллипс.
Площадь петли характеризует полные магнитные потери.

Анализ динамических петель важен для оценки характеристик магнитных материалов в реальных условиях эксплуатации на переменном токе.

Использование петли гистерезиса в неразрушающем контроле материалов

Анализ параметров петли гистерезиса позволяет проводить неразрушающий контроль ферромагнитных материалов и изделий:

Оценка структуры и фазового состава сталей и сплавов.
Контроль механических свойств и термообработки.
Выявление дефектов и неоднородностей структуры.
Определение остаточных напряжений.
Контроль качества постоянных магнитов.

Магнитный структурный анализ на основе измерения петли гистерезиса широко применяется в металлургии и машиностроении.

Гистерезиз и его магнитная петля: механизм возникновения петли гистерезиса

Петля гистерезиса. Подобная зависимость величин характерна для всех видов гистерезиса

Гистере́зис (греч. ὑστέρησις — «отстающий») — свойство систем (обычно физических), которые не сразу следуют приложенным силам. Реакция этих систем зависит от сил, действовавших ранее, то есть системы зависят от собственной истории.

В физике

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

Магнитный гистерезис

Магнитный гистерезис — явление зависимости вектора намагничивания и вектора напряженности 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.

Петля гистерезиса для триггера Шмитта имеет прямоугольный вид.

Благодаря анизотропии, M как бы удерживается некоторым внутренним полем HA (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 HA).

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 Hc он оказывает в случае, когда основную роль играет анизотропия формы частиц. При этом Hc может быть существенно меньше эффективного поля анизотропии формы.

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

Сегнетоэлектрический гистерезис

Сегнетоэлектрические кристаллы обладают в определенном температурном интервале спонтанной (самопроизвольной, то есть возникающей в отсутствие внешнего электрического поля) электрической поляризацией Pc. Направление поляризации может быть изменено электрическим полем.

При этом зависимость P(E) в полярной фазе неоднозначна, значение P при данном E зависит от предистории, то есть от того, каким было электрическое поле в предшествующие моменты времени. Основные параметры сегнетоэлектрического гистерезиса:

остаточная поляризация кристалла
Pост, при E = 0
значение поля EKt(коэрцитивное поле) при котором происходит переполяризация

Упругий гистерезис

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 полностью со временем не исчезает.

Как при неупругом, так и вязкоупругом поведении величина ΔU — 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 биологии

Гистерезисные свойства характерны для скелетных мышц млекопитающих.

В почвоведении

Основная гидрофизическая характеристика почвы обладает гистерезисом.

В гидрологии

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

В экономике

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 нем. 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 приводит к гистерезису.

Наконец, возможны трудности при различении реальных и кажущихся явлений гистерезиса, когда конечное состояние системы определяется, ее текущей динамикой или ее 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.

Математические модели гистерезиса

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 [1], 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, определенные на достаточно богатом функциональном пространстве(напр. пространстве непрерывных функций), действующие в некоторое функциональное пространство.

Свойства

Простое параметрическое описание различных петель гистерезиса можно найти в работе[2]. Замена гармонических функций на прямоугольные, треугольные или трапецеидальные импульсы позволяет получить кусочно-линейные петли гистерезиса, часто встречающиеся в дискретной автоматике.

Литература

См. также

Обменное смещение — как особенность петель гистерезиса.

Wikimedia Foundation. 2010.

Источник: https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1016749

Петля гистерезиса

Гистерезис происходит от греческого слова, означающего запаздывание или отставание. С данным понятием связана такая физическая величина, как петля гистерезиса, определяющая одну из характеристик тела. Она определенным образом связана также и с физическими величинами, характеризующими внешние условия, такие как магнитное поле.

Общие понятия гистерезиса

Гистерезис можно наблюдать в те моменты, когда какое-либо тело в конкретный период времени будет находиться в зависимости от внешних условий. Данное состояние тела рассматривается и в предыдущее время, после чего производится сравнение и выводится определенная зависимость.

Механизм возникновения петли гистерезиса

Сам по себе гистерезис представляет собой кривую, отображающую измененный магнитный момент вещества, на которое воздействует периодически изменяющаяся напряженность поля. Когда магнитное поле воздействует на ферромагнетики, то изменение их магнитного момента наступает не сразу, а с определенной задержкой.

В каждом ферромагнетике изначально присутствует самопроизвольная намагниченность. Сам материал включает в свой состав отдельные фрагменты, каждый из которых обладает собственным магнитным моментом. При направленности этих моментов в разные стороны, значение суммарного момента оказывается равным нулю в результате взаимной компенсации.

Если на ферромагнетик оказать воздействие магнитным полем, то все моменты, присутствующие в отдельных фрагментах (доменах) будут развернуты вдоль внешнего поля. В итоге, в материале образуется некоторый общий момент, направленный в одну сторону.

Если внешнее действие поля прекращается, то домены не все окажутся в изначальном положении. Для этого потребуется воздействие достаточно сильного магнитного поля, предназначенного для разворота доменов. Такому развороту создают препятствия наличие примесей и неоднородность материала.

Поэтому материал имеет некоторую остаточную намагниченность, даже при отключенном внешнем поле.

Для снятия остаточного магнитного момента, необходимо приложение действия поля в противоположном направлении. Напряженность поля должна иметь величину, достаточную, чтобы выполнить полное размагничивание материала. Такая величина известна как коэрцитивная сила. Дальнейшее увеличение магнитного поля приведет к перемагничиванию ферромагнетика в противоположную сторону.

Когда напряженность поля достигает определенного значения, материал становится насыщенным, то есть магнитный момент больше не увеличивается. При снятии поля вновь наблюдается наличие остаточного момента, который снова можно убрать. Дальнейшее увеличение поля приводит к попаданию в точку насыщения с противоположным значением.

Таким образом, на графике появляется петля гистерезиса, начало которой приходится на нулевые значение поля и момента. В дальнейшем, первое же намагничивание выводит начало петли гистерезиса из нуля и весь процесс начинает происходить по графику замкнутой петли.

Источник: https://electric-220.ru/news/petlja_gisterezisa/2016-06-10-974

Что такое петля гистерезиса?

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.

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.

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.

Источник: https://Voltiq.ru/wiki/hysteresis-loop/

Магнитный гистерезис

Если предварительно размагниченный образец ферромагнитного материала подвергнуть намагничиванию до состояния технического насыщения, то с увеличением напряженности магнитного поля Н магнитная индукция образца В будет изменяться в соответствии с кривой ОАБ (рисунок 2. 2).

Рисунок 2.2 – Предельная петля магнитного гистерезиса

В точке А при H = Hs магнитная индукция образца достигнет индукции насыщения Bs. При уменьшении напряженности поля Н намагниченность образца уменьшается по кривой БАBr, и при Н = 0 образец будет обладать некоторой индукцией, величина которой будет отлична от нуля.

Эта индукция называется остаточной и обозначается Вr.

Остаточная индукция (остаточная намагниченность) обусловлена тем, что при размагничивании, когда Н = 0, магнитные моменты доменов оказываются ориентированными вдоль оси легкого намагничивания, направление которой близко к направлению внешнего.

Для достижения полного размагничивания образца к нему необходимо приложить противоположное по знаку поле определенной напряженности. Напряженность такого поля называют коэрцитивной силой Нс.

При дальнейшем усилении отрицательного поля магнитная индукция тоже становится отрицательной и в точке A’ при H = –Hs достигает значения индукции технического насыщения (B = –Bs).

После уменьшения отрицательного поля, а затем увеличения положительного поля кривая перемагничивания опишет петлю, называемую предельной петлей магнитного гистерезиса, которая является важной технической характеристикой магнитных материалов.

Таким образом, предельная петля магнитного гистерезиса – это кривая изменения магнитной индукции при изменении внешнего магнитного поля от +Hs до –Hs и обратно. Пользуясь предельной петлей магнитного гистерезиса можно определить основные параметры материала: коэрцитивную силу Нс, индукцию насыщения Bs, остаточную индукцию Br и др.

Такие характеристики материала, как точка Кюри и индукция насыщения, зависят только от химического состава магнитных материалов. Коэрцитивная сил Нс, магнитная проницаемость M и площадь петли гистерезиса являются структурночувствительными.

Чем больше размер зерна (меньше суммарная удельная поверхность зерен) и более совершенна структура кристаллической решетки (меньше дислокаций, внутренних напряжений, примесей и других дефектов), тем меньше Нс и больше M, а материал легче намагничивается и перемагничивается.

По величине коэрцитивной силы магнитные материалы подразделяются на магнитомягкие и магнитотвердые. Материалы, у которых Нс 4 кА/м – к магнитответдым (ГОСТ 19693 – 74).

Для магнитомягких материалов характерно малое значение коэрцитивной силы. У промышленных образцов наименьшая Нс = 0,4 А/м. Поэтому они намагничиваются до индукции технического насыщения при невысоких напряженностях поля. У магнитомягких материалов высокая магнитная проницаемость, малые потери на перемагничивание и узкая петля гистерезиса при высоких значениях магнитной индукции.

Для магнитотвердых материалов характерна широкая петля гистерезиса с большой коэрцитивной силой. У промышленных образцов наибольшая Нс = 800 кА/м. Магнитотвердые материалы намагничиваются при высокой напряженности внешнего магнитного поля, но зато длительное время сохраняют сообщенную энергию.

← Раздел 2.1
Раздел 2.3 →

Источник: https://uas.su/books/newmaterial/22/razdel22. php

ПОИСК

Рис. 4.1. Петля гистерезиса для магнитного материала.

Карбонильное железо характеризуется специфической кривой первоначального намагничивания, соответствующей формой петли гистерезиса и определенными значениями составляющих магнитных потерь. При этом электромагнитные свойства карбонильного железа в блоке, получаемом металлокерамическим способом из порошка, и в частицах порошка существенно различны. Это в первую очередь объясняется изменением структуры материала при его металлокерамической обработке, а также влиянием на электромагнитные свойства размера частиц. [c.166]

Связь между напряженностью приложенного магнитного поля и магнитной индукцией в образце с упорядоченным магнетизмом, выражается обычно петлей гистерезиса. Петля гистерезиса рис. 4.1) характеризуется максимальной индукцией Вт, остаточной индукцией Вг и коэрцитивной силой Не. Остаточная индукция и коэрцитивная сила магнитного материала зависят от структуры, включений и внутренних напряжений в материале. Максимальная индукция насыщения не чувствительна к структуре и зависит только от химического состава и температуры. [c.94]

При намагничивании магнитного материала переменным полем петля гистерезиса, характеризующая затраты энергии в течение одного цикла перемагничивания, расширяются (увеличивают свою площадь) как за счет потерь на гистерезис, так и потерь на вихревые токи и дополнительные потери.

Такую петлю называют динамической, а сумму составляющих потерь — полными потерями. Геометрическое место вершин динамических петель гистерезиса называют динамической кривой намагничивания, а отношение индукции к напряженности поля на этой кривой — динамической магнитной проницаемостью [c.

32]

Сложный характер одновременного влияния (часто в противоположных направлениях) различных факторов на магнитные свойства материалов затрудняет их разграничение и определение влияния каждого.

В некоторых простых случаях имеется возможность определить влияние одного или нескольких основных факторов на размеры и форму петли гистерезиса.

В случае, если этот фактор одновременно и однозначно влияет на другие физические (немагнитные) свойства материала, можно установить [c.165]

Перспективными для использования в многоэлементных преобразователях являются преобразователи магнитных полей на основе кольцевых сердечников из материала с прямоугольной петлей гистерезиса. Достоинством таких преобразователей является наличие у них вентильных свойств, что делает ненужным применение электронных коммутирующих ключей в каждой ячейке матрицы. При этом отсутствует гальваническая связь между отдельными чувствительными элементами, сушественно упрощается конструкция много- [c.144]

СИТ название петли гистерезиса (отставания),Изменение индукции при перемагничивании материала идет термодинамически необратимо за один цикл перемагничивания затрачивается энергия, количество которой пропорционально площади петли гистерезиса. Кроме потерь на гистерезис при действии на материал переменного магнитного поля, в нем появляются вихревые токи, на создание которых потеря энергии тем больше, чем меньше удельное сопротивление материала. [c.349]

Петли гистерезиса бывают самыми разнообразными по форме. Одним из факторов, влияющих на форму петли, является размер частиц образца, причем увеличение их размера приводит, как правило, к тому, что материал становится более мягким, т. е.

уменьшается поле, необходимое для его перемагничивания (рис. 4.22. и 4.23). Объясняется это тем, что основным процессом при намагничивании очень мелких однодоменных частиц является поворот магнитного момента частицы в сторону поля (рис. 4.

24, А), в то время как намагничивание крупных частиц осуществляется путем смещения доменных стенок, происходящего при меньших полях, чем поворот моментов (рис. 4.24, Б).

Частицы среднего размера обычно бывают разделены на области-домены с разным направлением намагниченности, что уменьшает энергию магнитного поля, создаваемого магнитным моментом частицы. [c.199]

Магнитный вид неразрушающего контроля основан на анализе взаимодействия магнитного поля с контролируемым объектом. Его, как правило, применяют для контроля объектов из ферромагнитных материалов.

По характеру взаимодействия физического поля с объектом этот вид контроля не дифференцируют во всех случаях используют намагничивание объекта и измеряют параметры, используемые при контроле магнитными методами. Процесс намагничивания и перемагничивания ферромагнитного материала сопровождается гистерезисными явлениями (рис. 1.1).

Свойства, которые требуется контролировать (химический состав, структура, наличие несплошностей и др.), обычно связаны с параметрами процесса намагничивания и петлей гистерезиса. [c.9]

Сложный характер одновременного влияния (часто в противоположных направлениях) различных факторов на магнитные свойства материалов, как правило, не позволяет их разграничить и определить влияние каждого.

Только в некоторых (простых) случаях имеется возможность определить влияние одного или нескольких (основных) факторов на размеры и форму петли гистерезиса.

В случае, если этот фактор одновременно и однозначно влияет на другие физические (немагнитные) свойства материала, можно установить связь между ними и использовать магнитные свойства для контроля физических или химических свойств (параметров). [c.361]

МАГНИТОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ — анализ свойств магнитных материалов, основанный на использовании зависимости их магн. характеристик от структуры. К важнейшим магн. характеристикам относятся магнитная восприимчивость, магнитная проницаемость, намагниченность насыщения, коэрцитивная сила. У диамагнитных материалов магн.

восприимчивость X отрицательна, у парамагнитных материалов положительна, вследствие чего диамагнетик выталкивается из неоднородного магн. поля, а парамагнетик втягивается в него. По силе выталкивания или втягивания судят о знаке или абс. величине магн. восприимчивости.

А поскольку при фазовом превращении в твердом состоянии и при плавлении она изменяется скачкообразно, этим обстоятельством пользуются для определения фазового состояния материала. У ферромагнитных материалов магн. восприимчивость — неоднозначная функция магн. поля. Связь между намагниченностью ферромагнетика и напряженностью намагничивающего магн.

поля изображается кривой намагничивания и петлей гистерезиса. В процессе намагничивания магн. проницаемость ферромагнетика л = 1 4- [c.749]

Петля магнитного гистерезиса — зависимость магнитной индукции (намагниченности) магнитного материала от напряженности внешнего магнитного поля. [c.410]

Указанные особенности позволяют объяснить изменения магнитных характеристик в зависимости от режимов охлаждения.

Действительно, для феррита из материала 1,3 ВТ незначительное изменение статических параметров петли гистерезиса с изменением температуры начала разрежения соответствует сравнительно мало- Му изменению величины у в пределах однофазной шпинельной структуры.

Вместе с тем импульсная квадратность сердечников иУ 1й]/г), являющаяся более чувствительной характеристикой к изменению дефектности шпинели [189], значительно снижается по [c. 144]

Если образец магнитноупорядоченного материала намагнитить до насыщения, а затем снять намагничивающее поле, то образец будет находиться в так называемом остаточном состоянии, т. е. обладать остаточной индукцией.

Коэрцитивная сила является величиной, наиболее чувствительной к структуре магнитного вещества. Таким образом, по форме петли гистерезиса можно судить об особенностях свойств различных магнитных материалов.

Материалы для эластичных постоянных магнитов (магнитнотвердые резины) должны характеризо- [c.94]

Не и уменьшением остаточной индукции и коэффициента прямоугольности Кп. Образец, отожженный при 300°С, сохраняет исходные магнитные характеристики, чему соответствует неизменное значение постоянной решетки и фазового состава материала.

Отжиг при 400°С и выше приводит к ухудшению статических параметров петли гистерезиса, а на рентгенограммах появляется значительное расширение линий и искажение их формы, свидетельствующее о неоднородности материала.

Последнее может стать результатом окисления, идущего в первую очередь по границам [c.148]

Магнитный гистерезис — явление очень важное. По форме петли все магнитные материалы можно разделить на две большие группы мягкие магнитные материалы и жесткие, или высококоэрцитивные.

Мягкий магнитный материал должен иметь кривую намагничивания с большой проницаемостью (характеризующую кривизну подъема кривой, см. рис. 125), достигаемой в очень слабых полях, и очень узкую петлю гистеризиса с ничтожно малой коэрцитивной силой.

Важнейшее значение мягких магнитных материалов в экономике страны видно, например, из той роли, которую играют в ней трансформаторное и динамное листовое железо.

Жесткий магнитный материал для выполнения своего назначения стабильного источника сильного магнитного поля должен обладать максимально широкой петлей гистерезиса, т. е. максимальными коэрцитивной силой и остаточной индукцией. [c. 322]

Рассмотрим теперь петлю магнитного гистерезиса (см. ниже) как характеристику магнитного материала, и в первую очередь зависимость формы петли от размера зерен.

Нужно отметить трудоемкость получения петли гистерезиса с помощью сквид-магнитометра, поскольку для изменения намагничивающего поля в сквид-системе требуется отогреть и вновь охладить сверхпроводящий экран при новом значении поля. [c.198]

Известно, что форма и размеры петли гистерезиса зависят от химического состава материала, определяющего кристаллографическую анизотропию, наличие и расположение примесей и атомов легирующих элементов, микро- и макронапряжения, наличие и расположение дислокаций и т. п.

Сложный характер взаимосвязи между указанными факторами затрудняет установить корреляционную связь каждого из них с магнитными свойствами материала. В некоторых случаях можно определить влияние одного или нескольких основных факторов на размеры и форму петли гистерезиса. [c.

72]

В литературе можно найти многочисленные примеры исследования влияния давления на параметры индуктивных элементов. Индуктивность компонентов, содержащих железный порошок в пластиковой матрице, обычно пропорциональна давлению, однако эти изменения не носят постоянного характера.

Единственный описанный в литературе случай существенного остаточного изменения параметров в результате воздействия давления связан со специальным сердечником из материала с ориентированной зеренной структурой и с прямоугольной петлей гистерезиса.

Сведения о влиянии давления на элементы устройств магнитной памяти в литературе найти не удалось, но можно предположить, что такие компоненты будут выходить из строя при однократном повышении давления, поскольку в них используются материалы, аналогичные применяелйлм в ориентированных сердечниках с прямоугольной петлей гистерезиса. [c.482]

Характер наблюдаемых изменений позволяет понять их причину. Прежде всего, необходимо обратить внимание на принципиально иной, по сравнению с феррожидкостями, характер зависимости намагниченности суспензий от напряженности поля — наличие гистерезиса.

Гистерезис — это несовпадение зависимостей свойства (намагниченности) от параметра состояния (напряженности поля), получаемых при увеличении и при уменьшении значения параметра состояния. Гисте-резис намагниченности наглядно представляется в виде петли гистерезиса (рис. 3.73).

Намагничивание суспензии однодоменных частиц магнитно-жесткого материала при напряженности магнитного поля меньшей, чем коэрцитивная сила частиц, возможно только путем механического поворота частиц в магнитном поле достаточно большой напряженности Я.

Она должна быть такой, чтобы крутящий момент [тН], действующий на частицу со стороны магнитного поля, превысил момент [c.665]

В режиме А нарушения сплошности определяют при высоких намагниченностях, когда магнитное состояние материала изделия соответствует индукциям, близким к предельной петле гистерезиса.

Конструкционные стали относятся, как правило, к группе ферромагнитных материалов с нормальными петлями гистерезиса, у которых отношение остаточной индукции Вг к максимальной 5тах на предельной петле гистерезиса приблизительно постоянно и равно 0,5. .. 0,7.

Для режима А оказалось возможным за критерий выбора расчетной формулы взять значение остаточной индукции. [c.348]

ИНДУКЦИЯ НАСЫЩЕНИЯ (лат. 1пс1ис11о — наведение, возбуждение) — магн. индукция при такой напряженности магн. поля, когда намагниченность материала становится максимальной. Для большинства материалов абс. магн.

насыщение неосуществимо, для остальных — возможно в очень сильных нолях, когда намагниченность насыщения /о не зависит от поля. Магнитные материа.гы, гл. обр. магнитпо-мяг-кие, характеризуются индукцией технического насыщения — магн.

индукцией, при к-рой намагниченность материала достигает значения технического насыщении — состояния, когда векторы намагниченности всех доменов ориентируются в направлении намагничивающего поля с напряженностью Н . С увеличением наиряженности поля петли гистерезиса остаются одинаковыми. И. н.

зависит только от природы ферромагнитных фаз магн. материала и не зависит от технологии мех. обработки. В размагниченном состоянии при т-рах, не превышающих Кюри точку, каждый домен ферромагнетика благодаря действию внутрикристалличе- [c.501]

К сожалению, нельзя использовать ток, проходящий через катушки электромагнита для определения массовых чисел, вследствие эффекта гистерезиса. Чтобы измерять массы в области до 200 массовых единиц с точностью до 0,2 а. е. м.

(10 %), требуется измерение магнитного поля с точностью до 5-10 и специальное приспособление — измеритель масс, который в процессе развертки масс-спектра непрерывно регистрирует развертываемые массы, значения которых оператор наносит на спектр.

В ином случае измеритель должен делать отмэтки на регистрируемом спектре, соответствующие заранее определенной величине отношения массы к заряду регистрируемых ионов.

Для очень точных определений масс предпочтительнее использовать измерение электростатического потенциала, так как необходимо оценивать эффективное магнитное поле на всем пути движения иона, что сложно.

Измерения магнитного поля на небольшом участке недостаточны для оценки этого эффективного поля вследствие неоднородности магнитного материала, обусловливающего разницу в полях на различных участках поверхности магнита.

Положительные ионы в масс-спектрометре проходят через области поля рассеяния, поэтому лучшая характеристика магнитного поля может быть, вероятно, получена в том случае, если измерительное устройство помещено не в области однородного поля около центра полюса, а на участках, подверженных также действию рассеянных полей. Различия отдельных участков поля между полюсами могут изменяться в зависимости от гистерезисиой петли. Эта разница сравнительно невелика и не мешает применению измерителей магнитного поля для определения масс с точностью до 0,1%. [c.57]

В заключение отметим, что собственное атомное разупорядочение существенным образом влияет на магнитные свойства ферритов и это обстоятельство надо учитывать, когда надо получить материал со строго повторяющимися параметрами.

В качестве технологического приема, стабилизирующего магнитную индукцию и квадратность термостабильной петли гистерезиса, иногда рекомендуют дополнительные к основной термообработке отжиги при температурах 700—800°С в течение времени, достаточном для равновесного перераспределения ионов по подрешеткам (продолжительность отжига зависит от природы феррита [2]).

Примером значительного влияния собственно атомного разупорядочения на магнитные свойства является поведение феррита никеля, резко закаленного с высоких температур и обладающего определенной концентрацией ионов N1 + в Л-узлах решетки (при 1300°С в формуле Ре » [Ы1 Ре2111л ]04 д = 0,9955).

Как показали измерения [142], появление N1 + в тетраэдрических узлах шпинельной структуры приводит к изменению анизотропии кристалла и ширины линии ферромагнитного резонанса. [c.116]

Так, например, однополупериодиый магнитный усилитель (рис. Х-1) представляет собой дроссель насыщения ДЯ с рабочей ОР и управляющей ОУ обмотками. Материал сплава, из которого выполнен сердечник дросселя, обладает петлей гистерезиса, форма которой близка к прямоугольной.

В цепь рабочей обмотки, получающей питание от сети переменного тока через трансформатор 1Т, включены выпрямитель ВР и сопротивление нагрузки СН, с которого и снимается импульс отпирающего напряжения. Обмотка управления включена через сопротивление управления СУ в сеть постоянного тока.

СС и Е — сеточные сопротивления и конденсатор СЗН, ЕЗН, ВЗН и ТЗН — сопротивление, емкость, выпрямитель и трансформатор запирающего напряжения. [c.226]

Источник: https://www.chem21.info/info/835559/

Магнитный гистерезис: описание явления, гистерезисная петля

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

Описание явления магнитного гистерезиса

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

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

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.

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.

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.

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

В каких координатных осях строится петля гистерезиса. Что такое петля гистерезиса

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.

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.

Применение гистерезиса в электронике

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.

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 (), 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

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.

При 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.

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

описание, свойства,области применения.

Явление гистерезиса, плюсы и минусы, Эффект гистерезиса.

Содержание:

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

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 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.

Виды гистерезистеров в физике

В физике это свойство систем представлено тремя основными разновидностями: магнитным, сегнетоэлектрическим и упругим гистерезисом.
Магнитный гистерезис – явление, которое отражает зависимость вектора напряженности магнитного поля и вектора намагничивания в веществе. Причем как от приложенного внешнего поля, так и от предыстории конкретного образца. Существование постоянных магнитов обуславливается именно этим явлением.

Модель петли представляет собой определенный цикл, который некоторые свойства отправляет на повторную проверку и согласование, а некоторые использует дальше. Избирательный характер зависит от свойств конкретной системы.

Сегнетоэлектрический гистерезис – изменяющаяся зависимость поляризации сегнетоэлектриков от циклического изменения внешнего электрического поля.

Упругий гистерезис – поведение упругих материалов, способных сохранять и утрачивать деформацию под воздействием больших давлений. Это явление обуславливает анизотропию механических характеристик и высокие механические качества кованных изделий.

Магнитный гистерезис

В соответствии с базовым определением, это явление обозначает отставание намагниченности (М) материала от изменяющегося воздействия внешнего поля. Для эксперимента можно собрать схему, в которой ток пропускают через соленоид. Регулируют уровень напряженности (Н) с помощью параллельного переменного резистора. Сердечник – из ферромагнетика.

Важно! Представленные зависимости следует рассматривать в комплексе с графиком на первом рисунке.

До начала эксперимента образец обладает нейтральными характеристиками. Намагниченность и напряженность равны нулю, магнитные моменты доменов расположены хаотически. После замыкания цепи и увеличения силы тока увеличивается напряженность. На рисунке показано, как одновременно с этим изменяется направленность моментов. Индукция в образце (B) равна сумме напряженности и намагниченности с корректирующим множителем (μ0):

B = μ0*H + μ0*M.

На определенном уровне показатель μ0*M увеличивается до предельного значения. Последующее изменение напряженности внешнего поля не оказывает на него никакого влияния.

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.

Сегнетоэлектрический гистерезис

Причина особой формы графика в этом примере – образование поляризации без приложения сил внешнего поля. Такой эффект наблюдается в определенном температурном диапазоне. Соответствующие материалы называют сегнетоэлектриками.

Сегнетоэлектрики

На первом рисунке показана петля гистерезиса, где отмечены места:

точкой «а» – состояние насыщения;
Pc – остаточная поляризованность;
-Ec– коэрцитивная сила.

На второй части (2) изображено хаотичное (а) и направленное (б) расположение доменов. Ориентацию вдоль линий электростатического поля применяют для создания конденсаторов с изменяемой емкостью.

К сведению. Как и в других веществах, при повышении температуры до уровня точки Кюри намагниченность пропадает.

Упругий гистерезис

Это явление объясняется особыми механическими свойствами отдельных материалов. Они сохраняют созданную достаточно сильным ударным воздействием форму. Типичный пример – изготовление изделий из металла с применением ковки.

Описание явления магнитного гистерезиса

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 .

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 ).

Намагниченность или кривая B-H

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.

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 .

Гистерезис в электротехнике

Важными характеристиками сердечников электромагнитов и других электрических машин являются параметры намагничивания ферромагнитных материалов, из которых они изготавливаются. Исследовать эти материалы помогают петли ферромагнетиков. В данном случае прослеживается нелинейная зависимость внутренней магнитной индукции от величины внешних магнитных полей.

На процесс намагничивания (перемагничивания) влияет предыдущее состояние ферромагнетика. Кроме того, кривая намагничивания зависит от типа ферромагнитного образца, из которого состоит сердечник.

Если по катушке с сердечником циркулирует переменный ток, то намагничивания образца приводит к отставанию намагничивания. В результате намагничивания сердечника происходит сдвиг фаз в цепи с индуктивной нагрузкой. Ширина петли гистерезиса при этом зависит от гистерезисных свойств ферромагнетиков, применяемых в сердечнике.

Это объясняется тем, что при изменении полярности тока, ферромагнетик какое-то время сохраняет приобретённую ориентацию полюсов. Для переориентации этих полюсов требуется время и дополнительная энергия, которая израсходуется на нагревание вещества, что приводит к гистерезисным потерям. По величине потерь материалы подразделяются на магнитомягкие и магнитотвёрдые (см. рис. 3).

Рис. 3. Классификация магнитных материалов

Магнитный гистерезис в ферромагнетиках отображает зависимость вектора намагничивания от напряженности электрического поля (см. Рис. 3). Но не только изменение поля по знаку вызывает гистерезис. Вращение поля или (что, то же самое) магнитного образца, также сдвигает временные характеристики намагничивания.

Рис. 4. Петли гистерезиса под действием изменения напряжённости поля

Обратите внимание, что на рисунке изображены двойные петли. Такие петли характерны для магнитного гистерезиса.

В однодоменных ферромагнетиках, которые состоят из очень маленьких частиц, образование доменов не поддерживается (не выгодно с точки зрения энергетических затрат). В таких образцах могут происходить только процессы магнитного вращения.

Рис. 5. Механизм возникновения петли магнитного гистерезиса

В электротехнике гистерезисные свойства используются довольно часто:

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

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.

Явления диэлектрического гистерезиса

У диэлектриков отсутствуют свободные заряды. Электроны тесно связаны со своими атомами и не могут перемещаться. Другими словами, у диэлектриков спонтанная поляризация. Такие вещества называются сегнетоэлектриками.

Однако под действием электрического поля заряды в диэлектриках поляризуются, то есть изменяют ориентацию в противоположные стороны. С увеличением напряжённости поля абсолютная величина вектора поляризации возрастает по нелинейному принципу. В определённый момент поляризация достигает насыщённости, что вызывает эффект диэлектрического гистерезиса.

На изменение поляризации уходит часть энергии, в виде диэлектрических потерь.

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.

Чтобы лучше понять, что такое магнитный гистерезис, нужно разобраться, где и при каких условиях он возникает.

Физический процесс при гистерезисе

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

Магнитное поле – это среда, которая создается линиями магнитной индукции, образованными током, протекающим по проводнику или созданные строго направленными магнитными моментами в постоянном магните.
Вектор магнитной индукции – величина, указывающая направление распространения магнитного поля, обозначается большой буквой В.
Намагниченность – состояние вещества, при котором в нем еще остались направленные магнитные диполи. В физике и электротехнике обозначается буквой М.
Напряженность магнитного поля – величина, характеризующая разницу между В и М, обозначается буквой Н.

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:

Читайте также: Сварка меди и виды электродов для этого, преимущества и недостатки разных моделей

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.

Магнитная петля 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.

Форма петли

Зависит форма петли от многих параметров – намагниченности, напряженности поля, наличия потерь и т. д. Также немалое влияние оказывает и химический состав ферромагнетика, структурное состояние его, температура, характер и распределение дефектов, наличие обработки (тепловой, термомагнитной, механической). Следовательно, гистерезис ферромагнетиков можно изменять, подвергая материалы механической обработке. От этого изменяются все характеристики материала.

На графике зависимости М от Н можно видеть:

Из нулевого состояния, при котором М=0 и Н=0, с увеличением Н растет и М.
Когда поле увеличивается, то намагниченность становится практически постоянной и равна значению насыщения.
При уменьшении Н происходит обратное изменение, но вот когда Н=0, намагниченность М не будет равна нулю. Это изменение можно видеть по кривой размагничивания. И когда Н=0, М принимает значение, равное остаточной намагниченности.
При увеличении Н в интервале –Нт… +Нт происходит изменение намагниченности вдоль третьей кривой.
Все три кривые, описывающие процессы, соединяются и образуют своеобразную петлю. Она-то и описывает явление гистерезиса – процессы намагничивания и размагничивания.

Что влияет на петлю гистерезиса?

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.

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

сначала наблюдается смещение границ между соседними доменами;
далее ориентация моментов изменяется быстро в направлении силовых линий внешнего поля;
на этой стадии новое расположение границ становится необратимым;
этот участок характеризуется ростом отдельных доменов до максимального размера, магнитные моменты располагаются в точном соответствии линиям воздействующего поля;
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.

Теория гистерезиса

Стоит учитывать, что явление магнитного гистерезиса происходит также при вращении поля Н, а не только при его изменении по знаку и величине. Называется это гистерезисом магнитного вращения и соответствует изменению направления намагниченности М с изменением направления поля Н. Возникновение гистерезиса магнитного вращения наблюдается также при вращении исследуемого образца относительно фиксированного поля Н.

Кривая намагничивания характеризует также магнитную структуру домена. Структура изменяется при прохождении процессов намагничивания и перемагничивания. Изменения зависят от того, насколько смещаются границы доменов, от воздействий внешнего магнитного поля. Абсолютно все, что способно задержать все процессы, описанные выше, переводит ферромагнетики в нестабильное состояние и является причиной того, что возникает гистерезис магнитный.

Нужно учесть, что гистерезис зависит от множества параметров. Намагниченность меняется под воздействием внешних факторов – температуры, упругого напряжения, следовательно, возникает гистерезис. При этом появляется гистерезис не только намагниченности, но и всех тех свойств, от которых он зависит. Как можно видеть отсюда, явление гистерезиса можно наблюдать не только при намагничивании материала, но и при других физических процессах, связанных прямо или косвенно с ним.

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.

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.

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.

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:

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.
Термореле с модулем беспроводного программирования GSM. Такие устройства могут быть как с одним, так и двумя термодатчиками.
Автономные регуляторы с питанием от аккумуляторов. Такие установки, чаще всего, используют для контроля работы бытовой техники (например, холодильника), инкубаторов.

Для чего нужен гистерезис терморегулятора

Сегодня, большинство устройств по контролю над температурным режимом имеют функции как установки нужной температуры, так и настройки гистерезиса. Что же такое гистерезис терморегулятора? Это величина температуры, при которой сигнал противоположно меняется. Благодаря настройке гистерезиса реле осуществляет включение или выключение подключенного к нему оборудования.

То есть гистерезис – это разница между температурами включения и выключения приборов, обеспечивающих нагревание или охлаждение среды.

Так, например, если гистерезис терморегулятора равен 2 °С, а само устройство выставлено на 25 °С, то при понижении температуры окружающей среды до 23 °С термореле запустит оборудование, контролирующее обогрев комнаты. Такое оборудование может быть представлено электрическим обогревателем или газовым котлом отопления. При этом, чем больше будет гистерезис, тем реже будет запускаться термореле. Это следует учитывать в том случае, если главной целью установки автоматического терморегулятора является экономия электроэнергии.

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.

Настройка гистерезиса

Гистерезис для всех блоков Кситал составляет 1oС.

Это значение оптимально практически для всех применений. В случае особой необходимости его можно изменить.

Нижеприведенные рекомендации не актуальны для старых блоков, которые не реагируют на SMS-команды запроса и изменения констант в энергонезависимой памяти блока.

Возможность изменения именно константы гистерезиса невозможна для прошивок с номером версии ниже, чем
315.210 (как узнать версию прошивки своего блока описано тут).
Когда Вы задаете термостату температуру поддержания, например, +23oС, то при заводских значениях гистерезиса, управляющее реле будет включаться на 22,5oС и отключаться на 23,5oС, поддерживая тем самым температуру 23oС±0,5oС. Это оптимальная настройка для поддержания температуры воздуха.

Необходимо следить, чтобы термодатчик не был размещен вблизи отопителя, поскольку от этого нарушается процесс поддержания температуры в помещении.

Если Вам нужно, чтобы температура поддерживалась в других пределах или управляющее реле более редко включало и выключало бы отопитель, Вы можете подстроить гистерезис выбранного термостата.

Неаккуратным обращением с константами при помощи нижеприведенных команд можно нарушить работоспособность блока.

Все буквы в командах — английские.

«пароль» в командах это актуальный пароль в системе. Значение по умолчанию 00000.

<адрес> в командах это адрес константы половины гистерезиса нужного термостата:

03D — адрес константы значения половины гистерезиса для реле №1 в полуградусах
03E — адрес константы значения половины гистерезиса для реле №2 в полуградусах
03F — адрес константы значения половины гистерезиса для реле №3 в полуградусах

Значения констант по умолчанию равны «01», т. е. половина гистерезиса равна 0,5oС, а полный гистерезис каждого термостата равен 1oС.

Вопросы и ответы по терморегуляторам TERNEO

Гистерезис — это разница между температурой включения и выключения нагревателя.

Например: на Вашем терморегуляторе установлено значение температуры 25°С, гистерезис 2°С. При таких настройках терморегулятор будет нагревать помещение и отключит нагреватель при температуре 25°С. При остывании до 23°С снова включится и цикл повторится. Разница в 2°С между этими температурами и будет определять значение гистерезиса терморегулятора.

Варианты использования терморегуляторов TERNEO

Мы представляем в России украинские профессиональные терморегуляторы Тerneo, область применения которых весьма широка: чаще всего в быту терморегуляторы TERNEO (термостаты) применяются при эксплуатации теплых полов или для управления инфракрасными обогревателями, также устанавливаются и в отопительные котлы. Терморегулятор TERNEO может быть важной составляющей сложных промышленных агрегатов и самой разнообразной климатической техники, начиная от бытовых кондиционеров и сушилок и заканчивая специализированным морозильным или нагревательным оборудованием. Купить в России терморегуляторы TERNEO (ТЕРНЕО) можно оформив заявку на нашем сайте.

Термостаты Terneo являются правильным выбором для тех, кто желает получить максимум комфорта, ведь подобные терморегуляторы позволяют легко и быстро устанавливать необходимый режим, который будет поддерживаться в течение заданного времени. Все наши термостаты TERNEO снабжены высококачественными датчиками с высокой чувствительностью, благодаря чему температура в помещении всегда поддерживается с высокой точностью. При этом регулировка и настройка интуитивно понятна, что максимально облегчает задачу по поддержанию определенного микроклимата в помещении.

Различаются терморегуляторы TERNEO и по принципу работы. Термостаты могут быть аналоговыми, цифровыми. У нас вы также можете приобрести программируемые термостаты, которые дают возможность легкого и удобного управления любой системой теплого пола, включая инфракрасную пленку, кабель или нагревательный мат. Термостаты Terneo pro (с кнопочным управлением) иTerneo sen (c сенсорным управлением) позволяют устанавливать температурный режим на всю неделю. При этом эти модели терморегуляторов снабжены двумя температурными датчиками — один для пола и один для воздуха, что дает возможность оборудованию быстро реагировать на изменение условий. Кроме того, «интеллектуальная» система программируемых термостатов сама отключает подогрев в отсутствие людей, что позволяет сократить расход электроэнергии на обогрев до 70 %.

Использование терморегуляторов при модернизации электрических котлов позволит значительно уменьшить затраты на обогрев. Заменив биметаллический термостат, который имеет большой гистерезис, на терморегулятор terneo rk, с управляемым гистерезисом, КПД системы отопления значительно возрастет. Применив терморегулятор для котла BeeRT с контролем температуры обратки и возможностью управления насосом для прокачки теплоносителя, удастся значительно повысить уровень комфорта в помещениях.

Важной частью современных терморегуляторов для теплых полов, котлов и другого климатического оборудования является датчик температуры, ведь именно он отвечает за надежность срабатывания устройства. В терморегуляторах terneo установлены датчики на основе цифровых микросхем-преобразователей и термисторов, они способны обеспечить высокую точность при изменении температуры, что гарантирует максимально комфортную эксплуатацию.

Датчики термостатов Тerneo для теплых полов в зависимости от конфигурации и типа терморегулятора могут измерять как температуру непосредственно пола, так и воздуха в помещении. Датчики Тerneo быстро реагируют на отклонение температуры от заданного значения, поэтому вы можете быть уверены в том, что микроклимат в помещении будет именно таким, какой вам необходим, а пол нагрет точно до нужной температуры. Более того, датчики для терморегуляторов Тerneo оснащены жестким соединительным проводом который обеспечивает удобство монтажа системы теплый пол.

Что касается монтажа, то устанавливать термостаты для инфракрасного обогрева или терморегуляторы для теплых полов можно в монтажной коробке, совмещая их с рамками Unica Schneider Electric, например, для моделей terneo rtp, terneo mex unic, terneo st или terneo vt. Эта серия имеет огромную цветовую гамму, что позволит гармонично вписать наши устройства в любой интерьер.

Источники:

https://www.asutpp.ru/gisterezis.html
https://ElektroKlub-nn.ru/pravila-montazha/petlej-gisterezisa.html
https://separett.su/info/gisterezis-regulyatora.html
https://favourite-svet.ru/elektroprovodka/chto-takoe-gisterezis.html
https://amperof.ru/teoriya/petlya-gisterezisa.html
https://meanders.ru.com/chto-takoe-magnitnyj-gisterezis-krivye-magnitnogo-namagnichivanija.shtml
https://StroiMarket-44.ru/tehspravka/temperaturnyj-gisterezis.html
https://FB.ru/article/258936/gisterezis-magnitnyiy-opisanie-svoystva-prakticheskoe-primenenie
https://6watt.ru/elektrooborudovanie/rele-i-datchiki/termorele-s-regulirovkoj-temperatury/
https://teplobloknn.ru/instrumenty/gisterezis-temperatury.html

ИнформацияОбзор оптических трансиверов: виды, назначение и принцип работы

7 важных фактов, которые вы должны знать

Содержание:

Введение
Магнитный гистерезис
Определение петли гистерезиса
Гистерезис Значение
Простая петля гистерезиса
Петля гистерезиса с разными параметрами
Объяснение кривой гистерезиса
Проницаемость свободного пространства
Интенсивность намагничивания
Что такое магнитная интенсивность?
Что такое магнитная восприимчивость?
Связь между B и H
Сохраняемость и коэрцитивность в петле гистерезиса
Остаточный магнетизм
Коэрцитивная сила

Петля гистерезиса

Определение петли гистерезиса

Магнитный гистерезис — обычное явление, если магнитный материал намагничен и завершает один полный цикл намагничивания. Когда плотность магнитного потока или плотность намагничивания (B) наносится на график зависимости от магнитной напряженности намагничивающего поля (H) для одного полного цикла намагничивания и размагничивания, то полученная в результате петля называется петлей гистерезиса. Кривая петли гистерезиса может быть разной по форме и размеру в зависимости от природы материала.

Гистерезис Значение

Это произошло от греческого слова «Hysterein», от слова «гистерезис», что означает отставание.

Кривая гистерезисаПетля гистерезиса, изображающая один полный цикл намагничивания и размагничивания

Петля гистерезиса с разными параметрамиПетля гистерезиса с разными параметрами
Изображение Фото: Craxd1, Кривая и петля BH, CC BY-SA 3.0

Объяснение кривой гистерезиса

Когда интенсивность намагничивающего поля (H) увеличивается, плотность магнитного потока материала (B) также увеличивается, поскольку все больше и больше доменов выравниваются в направлении внешнего магнитного поля. Эта часть показана на приведенном выше рисунке, поскольку мы можем наблюдать от начальной точки до точки «а».
Когда все домены выровнены из-за возрастающего внешнего поля, материал становится магнитно-насыщенным, то есть возникает явление насыщения. Помимо этого, если магнитная напряженность (H) увеличивается, плотность магнитного потока (B) не изменяется, она остается такой же, как мы можем заметить на рисунке, что после достижения точки «a», B становится постоянной.
Теперь, если магнитная напряженность (H) уменьшается, плотность магнитного потока (B) также уменьшается, но она отстает от магнитной напряженности (H). Следовательно, мы можем заметить на рисунке, что когда магнитная напряженность (H) становится равной нулю в точке «b», плотность магнитного потока (B) не уменьшается до нуля. Значение плотности магнитного потока (B) сохраняется в материале, когда магнитная напряженность (H) равна «0», что считается «удерживающей способностью».
Кроме того, если направление внешнего магнитного поля меняется на противоположное и величина напряженности магнитного поля (H) увеличивается, материал начинает размагничиваться. При наблюдении в точке «c» плотность магнитного потока (B) оказывается равной «0». Это значение напряженности магнитного поля (H), которое необходимо для уменьшения плотности магнитного потока (B) до нуля, называется «коэрцитивностью».
Теперь, когда намагничивающее поле, приложенное в обратном направлении, увеличивается дальше, материал снова становится насыщенным, но в противоположном направлении, как показано на диаграмме в точке «d».
Когда это обратное намагничивающее поле уменьшается, плотность магнитного потока (B) снова отстает от магнитной напряженности (H), и в точке «e» магнитная напряженность (H) становится равной нулю, но плотность магнитного потока (B) не уменьшается до нуля. .
Опять же, когда текущее направление магнитного поля меняется на противоположное и напряженность магнитного поля (H) снова увеличивается от нуля, цикл повторяется.

Область, ограниченная петлей, представляет собой потерю энергии во время полного цикла намагничивания и размагничивания.

Проницаемость свободного пространства

Проницаемость свободного пространства, μ_o, является постоянным параметром, представленным точным значением 4π x 10^-7Н / миспользуется для воздуха. Эта постоянная μo появляется в уравнениях Максвелла, которые описывают и связывают электрические и магнитные поля, а также свойства электромагнитный излучение, т. е. помогает связать и определить такие величины, как проницаемость, плотность намагниченности, напряженность магнитного поля и т. д.

Магнитный гистерезис подробно обсуждался в этой статье. но в дополнение к этому, нам нужно прояснить некоторые концепции, связанные с намагничиванием, такие как проницаемость, удерживающая способность в свободном пространстве и в другой среде.

Интенсивность намагничивания

Магнитный материал в магнитном поле создает индуцированный дипольный момент в этом материале, и этот момент на единицу объема распознается как интенсивность намагничивания (I) или плотность намагничивания.

где — суммарный индуцированный дипольный момент. Его единица измерения — Am^-1

Что такое магнитная интенсивность?

Чтобы намагнитить магнитный материал, необходимо приложить магнитное поле. Отношение этого намагничивающего поля к проницаемости свободного пространства известно как напряженность магнитного поля H.

где , внешнее магнитное поле также называют плотностью магнитного потока.

Единица магнитной напряженности — Ам.^-1 такая же, как у интенсивности намагничивания.

Что такое магнитная восприимчивость?

Отношение величины интенсивности намагничивания к величине магнитной напряженности известно как магнитная восприимчивость (). Магнитную восприимчивость можно объяснить как степень легкости, с которой магнитный материал может быть намагничен. Следовательно, материал с более высоким значением магнитной восприимчивости будет легче намагничиваться по сравнению с другими материалами, имеющими меньшее значение магнитной восприимчивости.

= где символы имеют свое обычное значение.

Магнитная восприимчивость — это скалярная величина, не имеющая измерения, следовательно, без единицы измерения.

Что такое магнитная проницаемость?

Магнитная проницаемость — это отношение значения чистого магнитного поля внутри материала к значению магнитной напряженности. Здесь чистое магнитное поле внутри материала является векторным сложением приложенного магнитного поля и магнитного поля для намагничивания этого вещества. Магнитную проницаемость можно просто объяснить как меру степени, в которой намагничивающее поле может проникать (проникать) в данный магнитный материал.

Магнитная проницаемость — это скалярная величина, единица измерения —

Другой термин, связанный с магнитной проницаемостью, — это относительная проницаемость, которую можно определить как отношение проницаемости среды к проницаемости свободного пространства.

Связь между B и H

Общее магнитное поле B, также называемое плотностью потока, представляет собой сумму силовых линий магнитного поля, созданных внутри заданной области. Обозначается символом B.

В качестве магнитной напряженности H, которая прямо пропорциональна внешнему магнитному полю, следовательно, можно утверждать, что напряженность магнитного поля или напряженность магнитного поля H может быть увеличена путем увеличения либо величины тока, либо количества витков катушки, в которой материал сохраняется.

Мы знаем, что B = μH или B = H

μ_r не имеет постоянного значения, а зависит от напряженности поля, поэтому для магнитных материалов отношение плотности потока или общего магнитного поля к напряженности магнитного поля или напряженности магнитного поля известно B / H.

Следовательно, мы получаем нелинейную кривую, когда строим график магнитного потока (B) и магнитной интенсивности (H) по оси X и оси Y соответственно. Но для катушек без материала внутри, то есть магнитный поток не индуцируется внутри какого-либо материала, а индуцируется в вакууме или в случае сердечника из немагнитного материала, такого как дерево, пластик и т. Д.

Кривая BH для разных материалов из 9 ферромагнитных материалов, показывающих насыщение. 1. Листовая сталь, 2. Кремниевая сталь, 3. Литая сталь, 4. Вольфрамовая сталь, 5. Магнитная сталь, 6. Чугун, 7. Никель, 8. Кобальт, 9. Магнетит, Изображение предоставлено — Charles Proteus Steinmetz, Кривые намагничивания, помечено как общественное достояние, подробнее на Wikimedia Commons

Мы можем наблюдать, что плотность магнитного потока для вышеуказанных материалов, то есть железа и стали, становится постоянной с увеличением величины напряженности магнитного поля, и это известно как насыщение, поскольку плотность магнитного потока насыщается для более высоких значений магнитной напряженности. Когда магнитная напряженность мала и, следовательно, приложенная сила магнетизма мала, выравниваются только несколько атомов в материале. С увеличением магнитной напряженности остальные также легко выравниваются.

Однако с увеличением H, поскольку все больший и больший поток скапливается в одной и той же площади поперечного сечения ферромагнитного материала, очень мало атомов доступно внутри этого материала для выравнивания; поэтому, если мы увеличиваем H, магнитный поток (B) больше не увеличивается и, следовательно, становится насыщенным. Как упоминалось ранее, явление насыщения ограничено электромагнитами с железным сердечником.

Сохраняемость и коэрцитивность в петле гистерезиса

Сохраняемость

Удерживающая способность материала — это мера величины магнитного поля, остающегося в материале, когда внешнее намагничивающее поле удалено. Его также можно определить как способность материала сохранять часть своего магнетизма даже после того, как процесс намагничивания был остановлен. Стабильно зависит от характеристик материалов.

После намагничивания магнитного материала некоторые электроны в атомах остаются выровненными в направлении первоначального направления намагничивающего поля и ведут себя как крошечные магниты со своими собственными дипольными моментами и не возвращаются к полностью случайной структуре, как остальные из них. Из-за этого в материалах остается некоторое магнитное поле или общий магнетизм. Ферромагнитные материалы обладают сравнительно высокой удерживающей способностью по сравнению с другими намагничивающими материалами, что делает их идеальными для создания постоянных магнитов.

Остаточный магнетизм

Остаточный магнетизм — это величина плотности магнитного потока, которая может удерживаться магнитным материалом, и способность удерживать ее известна как удерживающая способность материала.

Коэрцитивная сила

Коэрцитивная сила может быть определена как величина силы намагничивания, необходимая для устранения остаточного магнетизма, удерживаемого материалом.

В следующих разделах мы обсудим типы магнитов, постоянных магнитов и электромагнитов в зависимости от свойств и природы материалов.

Дополнительные статьи по электронике нажмите сюда

Вестник Иркутского государственного технического университета

2018 / Том 22, №8 (139) 2018 [ ЭНЕРГЕТИКА ]

ЦЕЛЬ. В условиях постоянного усложнения электроэнергетических систем все более актуальной становится задача обеспечения адекватности функционирования устройства релейной защиты. Для ее решения авторы предлагают использовать детализированные математические модели совокупности измерительных трансформаторов релейной защиты совместно с современными симуляторами электроэнергетических систем. Очень важным является адекватное моделирование измерительных трансформаторов, в частности процесса намагничивания сердечника, поскольку измерительные трансформаторы во многом определяют форму контролируемого сигнала релейной защиты и влияют на ее работу. Однако, ввиду отсутствия точного математического описания характеристики намагничивания сердечника измерительного трансформатора, в настоящее время используются упрощенные модели, не отражающие всех протекающих в сердечнике процессов. Целью работы является разработка математической модели гистерезиса, обладающая высокой точностью воспроизведения процессов перемагничивания сердечника трансформатора. МЕТОДЫ. Основным методом исследования является математическое моделирование процессов перемагничивания ферромагнитного материала. Для проведения исследований использовался программный комплекс MathCAD. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. В статье представлены фрагменты разработки и исследования математической модели с памятью магнитного гистерезиса, базирующейся на теории Прейзаха, адекватно воспроизводящей как предельные, так и частные петли гистерезиса. ВЫВОДЫ. Анализ существующих математических моделей трансформаторов тока позволил выявить наиболее перспективный подход для описания процесса намагничивания — теория Прейзаха, которая из-за сложности реализации в распространенных программных и программно-аппаратных комплексах не применяется. На основе теории Прейзаха для описания процесса магнитного гистерезиса была разработана математическая модель гистерезиса с памятью состояния вещества и проведены предварительные исследования данной модели, подтвердившие правильность ее работы.

Ключевые слова:

релейная защита,магнитный гистерезис,инверсная модель гистерезиса,теория Прейзаха,предельная петля гистерезиса,частная петля гистерезиса,relay protection,magnetic hysteresis,inverse hysteresis model,Preisach theory,major hysteresis loop,minor hysteresis loop

Авторы:

Андреев Михаил Владимирович
Спица Мария Владимировна
Киевец Антон Владимирович

Библиографический список:

Hermann W. Dommel. Digital computer solution of electromagnetic transients in single- and multiphase networks // IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems. 1969. Vol. 88. No. 4. P. 388-399.
Матюк В.Ф., Осипов А.А. Математические модели кривой намагничивания и петель магнитного гистерезиса. Ч. I. Анализ моделей // Неразрушающий контроль и диагностика. 2011. № 2. С. 3-35.
Deane J.H.B. Modeling the dynamics of nonlinear inductor circuits. IEEE Transactions on Magnetics. 1994. Vol. 30. Issue 5. P. 1-13.
Наумов В.А, Шевцов В.М. Математические модели трансформатора тока в исследованиях алгоритмов дифференциальных защит // Электрические станции. 2003. № 3. С. 51-56.
Новаш И.Ф., Румянцев Ю.Ф. Упрощенная модель трехфазной группы трансформаторов тока в системе динамического моделирования // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2015. № 5. С. 23-38.
Король Е.Г. Анализ методов моделирования петли гистерезиса ферромагнитных материалов // Електротехніка і Електромеханіка. 2007. № 6. C. 44-47.
Preisach F., Fur Z. Phys. 94, 277 (1935).
Eichler Ja., Novák M., Košek M. Differences between Preisach Model and Experiment for Soft Ferromagnetic Materials, Effect of Instrument Accuracy // IEEE International Workshop of Electronics, Control, Measurement, Signals and their Application to Mechatronics (ECMSM). 2017.
Willerich S., Herzog H.-G. Interpretation of an Energy Based Hysteresis Model as a Scalar Preisach Operator // IEEE Conference on Electromagnetic Field Computation (CEFC). 2016. P. 13.
Tousignant M., Sirois F., Kedous-Lebouc A. Identification of the Preisach Model Parameters Using Only The Major Hysteresis Loop and The Initial Magnetization Curve // IEEE Conference on Electromagnetic Field Computation (CEFC). 2016. P. 11.
Anooshahpour F., Polushin I.G., Patel R.V. Classical Preisach Model of Hysteretic Behavior in a da Vinci Instrument // IEEE International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM). 2016. P. 1392-1397.
Eichler J., Novák M., Košek M. Experimental-numerical method for identification of weighting function in Preisach model for ferromagnetic materials // International Conference on Applied Electronics (AE). 2016.
Eichler J., Novák M., Košek M. Implementation of the first order reversal curve method for identification of weight function in Preisach model for ferromagnetics // ELEKTRO. 2016. P. 602-607.
Zsurzsan T.-G., Andersen M.A.E., Zhe Zhang, Andersen N.A. Preisach model of hysteresis for the Piezoelectric Actuator Drive // IECON 2015 — 41st Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. 2015. P. 2788-2793.
Wawrzała P. Application of a Preisach hysteresis model to the evaluation of PMN-PT ceramics properties // Archives of metallurgy and materials. 2013. Vol. 58.
Андреев М.В., Боровиков Ю.С., Сулайманов А.О. Средства всережимного моделирования дифференциальных защит трансформаторов в электроэнергетических системах // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2015. № 4. С. 63-67.
Андреев М.В., Боровиков Ю.С. Оптимизация уставок дифференциальных защит трансформаторов и автотрансформаторов с помощью их адекватных математических моделей // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 3. С. 53.
Андреев М.В., Рубан Н.Ю., Гордиенко И.С., Боровиков Ю.С., Гусев А.С., Сулайманов А.О. Всережимное математическое моделирование релейной защиты электроэнергетических систем. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2016. 180 с.
Суворов А.А., Гусев А.С., Сулайманов А.О., Андреев М.В. Проблема верификации средств моделирования электроэнергетических систем и концепция ее решения // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. 2017. № 1. С. 11-23.
Боровиков Ю.С., Гусев А.С., Андреев М.В., Уфа Р.А. Полигон для отработки решений по построению активно-адаптивных сетей на базе всережимного моделирующего комплекса реального времени // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2014. № 4. С. 292-296.

Файлы:

10-Андреев_М.В.__Спица_М.В.__Киевец_А.В..pdf (скачать | просмотреть) — скачано 109 раз

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

ГОСТы, СНиПы

Карта сайта TehTab.ru

Поиск по сайту TehTab.ru

Навигация по справочнику TehTab.ru: главная страница / / Техническая информация/ / Инженерные приемы и понятия/ / Теория автоматического управления (регулирования). ТАУ / / Гистерезис для инженеров. Петля гистерезиса. Прерванные процессы на петле гистерезиса. Смена направления процесса.

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

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

Рисунок 1. Классическая петля гистерезиса.

По пунктам:

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

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

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

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


Рисунок 2. Классический гистерезис. Смена направления процесса.	Рисунок 3. «Инженерный гистерезис». Смена направления процесса.

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

Рисунок 4. Прерваный процесс на петле «инженерного гистерезиса».

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

Дополнительная информация от TehTab. ru:

Нашли ошибку? Есть дополнения? Напишите нам об этом, указав ссылку на страницу.

TehTab.ru

Реклама, сотрудничество: [email protected]

Обращаем ваше внимание на то, что данный интернет-сайт носит исключительно информационный характер. Информация, представленная на сайте, не является официальной и предоставлена только в целях ознакомления. Все риски за использование информаци с сайта посетители берут на себя. Проект TehTab.ru является некоммерческим, не поддерживается никакими политическими партиями и иностранными организациями.

Объяснение петли гистерезиса — База знаний идеальных магнитных решений

Гистерезис означает отставание

Гистерезис основан на греческом слове, которое означает отставание. Итак, магнитный гистерезис — это то, как магнитные свойства материала отстают от силы, создающей эти свойства. Кривая гистерезиса многое говорит нам о реакции материала на магнитное поле, поэтому, если мы знаем, как ее интерпретировать, мы многое узнаем и поймем о реакции материала на магнитное воздействие.

Мы наносим гистерезис материала на график, известный как петля гистерезиса. Другой способ выразить это — сказать, что петля гистерезиса показывает взаимосвязь между внешней силой намагничивания и плотностью наведенного магнитного потока.

Что такое кривая BH?

График гистерезиса известен как кривая B-H, где B (плотность потока материала, измеренная в теслах или мегагауссах) отложена по вертикальной оси, а H (внешняя приложенная намагничивающая сила, измеренная в амперах на метр) откладывается по горизонтальной оси. Мы также можем изучить ряд других магнитных концепций и принципов, просто подробно изучив петлю гистерезиса.

Кривая B-H магнитного материала. Следуя буквам от a до g, мы получаем важные магнитные данные о материале, которые помогают нам понять магнитные свойства материала.

Плотность магнитного потока (B) магнитного материала будет увеличиваться — от точки до в начале координат — в присутствии приложенного магнитного поля (H) до тех пор, пока не достигнет максимума, при котором она больше не будет реагировать на увеличение магнитного поля. поле в точке b . Это пункт Положительное насыщение , где любое дальнейшее увеличение внешнего магнитного поля не приведет к дальнейшему увеличению плотности потока материала.

Обнаружение остаточной намагниченности и коэрцитивности в петле гистерезиса

Следующее, что мы делаем, это возвращаемся налево по горизонтальной оси к началу координат. Мы обнаруживаем, что материал высвобождает часть своего магнетизма, и там, где приложенное поле снова достигает нуля (точка c на кривой B-H), материал обнаруживает свою остаточную магнитную силу, которая называется остаточной магнитной силой (также известной как сохраняемость).

Что такое остаточная намагниченность?

Остаточное магнитное поле — это оставшееся магнитное поле в материале после того, как приложенное магнитное поле уменьшится до нуля. Основываясь на необработанном значении остаточной намагниченности и форме кривой, которую мы строим с помощью приложенного магнитного поля, мы можем определить, является ли исследуемый образец магнитно-твердым или магнитомягким материалом.

Теперь, когда мы обращаем приложенное магнитное поле (H) и двигаем его влево, мы видим, что значение B (плотность потока материала) уменьшается до нуля. Сейчас мы находимся в точке d на кривой B-H.

Что такое принудительная сила?

Количество (H), необходимое для перемещения (B) до нулевой линии, дает нам значение коэрцитивной силы материала. Коэрцитивная сила, также известная как коэрцитивная сила, представляет собой сопротивление материала изменениям намагниченности. Магнитомягкие материалы, как правило, имеют низкую коэрцитивную силу, а магнитотвердые материалы имеют высокую коэрцитивную силу. Независимо от магнитной твердости или мягкости материала точка d определяет момент, когда они потеряли свою магнитную силу.

Форма кривой B-H в магнитомягких и твердых материалах

Магнитомягкие материалы имеют тонкую кривую гистерезиса, поэтому они широко используются в приложениях, требующих частого переключения полярности, например, в трансформаторах и обмотки двигателя. Как видно ниже, магнитомягкие материалы имеют низкую остаточную намагниченность и уже потеряли большую часть своего магнитного поля к тому времени, когда они пересекают нулевую линию. Они также имеют крутой отрицательный наклон размагничивания на нулевой линии.

Магнитомягкие материалы — с их низкой коэрцитивной силой — могут часто переключать полярность и иметь относительно небольшие электрические потери. Ширина петли гистерезиса многое говорит нам о потерях. Чем уже кривая, тем меньше потери.

Магнитотвердые материалы имеют очень широкую кривую гистерезиса, что делает их практичными в приложениях, где они воздействуют своим магнитным полем на магнитомягкие материалы. Как видно на рисунке ниже, магнитотвердые материалы обладают высокой остаточной намагниченностью и теряют лишь небольшой процент своего магнитного поля к тому времени, когда они пересекают нулевую линию. Их наклон размагничивания на нулевой линии очень пологий и не круче, пока не уходит далеко влево от нулевой линии. Если бы магнитотвердые материалы часто меняли полярность, потери на гистерезис были бы огромными, поэтому они не используются таким образом.

Отрицательное Насыщение

Толкая влево по оси B, продолжаем наращивать магнитное поле в обратном направлении до достижения точки e — точки Отрицательного Насыщения. Эта точка точно такая же, как точка b , но в противоположном направлении. Жесткий или мягкий магнитный материал в нашем исследовании теперь намагничен в направлении, противоположном его намагничиванию, в точке b .

Если мы вернемся к точка b из точки e , мы просто повторим то же самое, что и изначально, но в противоположном направлении.

Обращаясь к Рисунку 1, с которого мы начали, мы видим, как мы прошли всю петлю гистерезиса. Но осталось отметить одну вещь. Из-за остаточной намагниченности мы никогда не вернемся к точке а, с которой мы начали, потому что точка а была точкой, в которой материал никогда не подвергался воздействию магнитного поля.

Хотите изучить этот материал более подробно? Очень хороший видеоурок доступен здесь.

Обратные петли гистерезиса в сплаве Fe73,5Cu1Nb3Si13,5B9 с малой коэрцитивной силой размер магнитных материалов, температура и т. д. Двумя важными параметрами, характеризующими петлю гистерезиса, являются остаточная намагниченность

M _r и коэрцитивное поле H _c соответственно. В норме остаточная намагниченность и коэрцитивное поле сохраняют положительные и отрицательные значения для нисходящей ветви петли гистерезиса. Положительная остаточная намагниченность относится к намагниченности образца после приложения большого магнитного поля.

Коэрцитивная сила — это обратное магнитное поле, которое делает значение остаточной намагниченности равным нулю. В отличие от обычной петли гистерезиса с циклом против часовой стрелки, перевернутая петля гистерезиса с отрицательной остаточной намагниченностью имеет цикл по часовой стрелке и наблюдается во многих магнитных системах (Takanashi et al., 19).93; Аарони, 1994; Ошеа и Аль-Шариф, 1994 г.; Окоши и др., 2001; Ву и др., 2001; Ким и др., 2006 г.; Демиртас и др., 2007 г.; Ван Тхо и др., 2008 г.; Зизе и др., 2010 г.; Демирчи и др., 2020 г.; Гизинг и др., 2020 г.; Солдатов и др., 2020; Kumar et al., 2021) за последние десятилетия.

В многослойном пленочном материале перевернутые петли гистерезиса наблюдались в многослойных материалах Co/Pt/Gd/Pt Takanashi et al., 1993, которые считали, что источником перевернутой петли гистерезиса является межфазное обменное взаимодействие. Это явление также наблюдалось в мультислоях Co/Mn/Co (Wu et al., 2001) и La _0.7 Sr _{0. 3} MnO ₃ /SrRuO ₃ сверхрешетки с ультратонкими отдельными слоями (Ziese et al., 2010; Song et al., 2013). Кроме того, Эшо сообщил об инвертированных петлях гистерезиса с отрицательной остаточной намагниченностью в напыленном сплаве Gd-Co (Esho, 1976), и было предложено несколько моделей, основанных на эффектах структурной неоднородности (Lutes et al., 1977; Togami, 1978). . Однако сообщалось также об аномальной петле гистерезиса в простых гомогенных системах, таких как соединение пирохлора Nd 9.0085 2 Hf ₂ O ₇ и наночастиц EuS НЧ (Gu et al., 2014; Opherden et al., 2018), и это объясняется конкуренцией двух анизотропий (Takanashi et al., 1993; Гешев и др., 1998; Валвидарес и др., 2002; Юн Джэ и Лим, 2011). Несмотря на количество предыдущих исследований, физическое происхождение перевернутой петли гистерезиса остается спорным.

Аморфные/нанокристаллические сплавы на основе железа в течение многих лет вызывают значительный интерес, поскольку они обладают превосходной магнитной мягкостью (Fish, 1990). Среди них нанокристаллический сплав Fe _73,5 Cu ₁ Nb ₃ Si _13,5 B ₉ с неоднородной структурой, известный как Finemet, является часто изучаемым сплавом благодаря высокой намагниченности насыщения

5 M M s и низкая коэрцитивная сила H _c (Hofmann et al., 1992; Polak et al., 1994; Gorria et al., 1996; Hofmann and Kronmüller, 1996; Barquín et al., 1998). Магнитная мягкость нанокристаллического Fe _73,5 Cu ₁ Nb ₃ Si _13,5 B ₉ сплав в основном возникает в результате диспергирования ультрамелких зерен α -Fe(Si) в аморфной матрице, которая снижает эффективную магнитную анизотропию ., 2013).

В этом исследовании мы представляем наблюдение полностью перевернутой петли гистерезиса с отрицательной остаточной намагниченностью в аморфных и нанокристаллических сплавах Fe _73,5 Cu ₁ Nb ₃ Si _13,5 B ₉ при комнатной температуре. Сравнивая с результатами кривой намагничивания стандартного образца Pd в тех же условиях, мы находим, что чистые коэрцитивные силы нанокристаллического Fe _73,5 Cu ₁ Nb ₃ Si _13,5 B ₉ сплав и стандартный образец Pd практически равны для разных диапазонов поля сканирования. В отличие от предыдущих исследований, мы подтверждаем, что наличие обратной петли гистерезиса в сплавах Fe _73,5 Cu ₁ Nb ₃ Si _13,5 B ₉ обусловлено остаточной намагниченностью сверхпроводящего магнита, а не структурной неоднородностью. последствия. Это может внести ясность в полемику о физическом происхождении обратных петель гистерезиса, наблюдаемых в магнетиках с малой коэрцитивной силой.

Экспериментальные методы

Аморфные ленты из сплава Fe _73,5 Cu ₁ Nb ₃ Si _13,5 B ₉ были приготовлены методом одиночного медного прялочного колеса. Нанокристаллические сплавы получали термической обработкой аморфных соединений Fe _73,5 Cu ₁ Nb ₃ Si _13,5 B ₉ при 813 К в течение 30 мин в вакууме (Fujii 20 et al., 8). выше температуры кристаллизации. Подробности сообщались в другом месте (Ayers et al., 19).98). Идентификацию аморфной и кристаллической фаз измеряли методом дифракции рентгеновских лучей (Cu Kα ) при комнатной температуре. Наблюдение за микроструктурой и электронная дифракция (ED) выбранной области сплавов после закалки и отжига были изучены с использованием просвечивающего электронного микроскопа FEI Talos F200X (TEM). Вибрационный магнитометр (VSM) с системой измерения магнитных свойств 3 (MPMS 3 Quantum Design) использовался для измерения намагниченности (M) в зависимости от приложенного магнитного поля (H) с использованием обычной последовательности для различных диапазонов поля сканирования от ± 0,1 до ± 70 KOe. . Все измерения проводились при 300 К, а нанесенный H находился в плоскости лент. Образец и магнит размагничивали в колебательном режиме при 350 К перед каждым измерением.

Results and Discussions

The phase of Fe _73.5 Cu ₁ Nb ₃ Si _13.5 B ₉ ribbons was identified by X-ray diffraction using a diffractometer with Cu-K α radiation in угловой диапазон 2 θ 25–80 ° при скорости сканирования 0,2 ° / с, как показано на рисунке 1A. На дифрактограмме после закалки образца виден ореол, типичный для аморфных сплавов. Для сравнения, рентгенограмма отожженного образца показывает наличие кристаллического 9Фаза твердого раствора 0083 α -Fe и аморфная остаточная фаза, и никакие другие фазы, кроме α -Fe(Si), не были обнаружены по профилям XRD, что согласуется с предыдущими соответствующими отчетами (Zhang et al., 1998; Горриа и др., 2001; Маджумдар и Ахтар, 2005).

РИСУНОК 1 . (A) Рентгенограммы лент Fe _73,5 Cu ₁ Nb ₃ Si _13,5 B ₉ в литом состоянии и после отжига при 813 мин в вакууме в течение 30 км. (B) ПЭМ-микрофотография аморфного Fe _73,5 Cu ₁ Nb ₃ Si _13,5 B ₉ ленты. Врезка: соответствующий шаблон быстрого преобразования Фурье (БПФ). (C) – (D) ПЭМ-микрофотографии Fe _73,5 Cu ₁ Nb ₃ Si _13,5 B ₉ для лент, отожженных в вакууме 3 при 3 мин. Картина дифракции электронов выбранной области и связанная с ней картина быстрого преобразования Фурье (БПФ) показаны на вставке 9.0019 (С) и (D) соответственно.

Чтобы дополнительно охарактеризовать морфологию и микроструктуру двух лент, были проведены испытания с помощью просвечивающего электронного микроскопа, и результаты показаны на рис. 1B,D. Наблюдение под трансмиссионным электронным микроскопом ленты Fe _73,5 Cu ₁ Nb ₃ Si _13,5 B ₉ после закалки подтвердило, что микроструктура образца очень однородна. Изображение с высоким разрешением TEM (HRTEM) (рис. 1B) показывает однородный материал без кристаллической решетки. Кроме того, нет никаких следов кристаллических отражений в соответствующей картине быстрого преобразования Фурье (БПФ). Эти факторы указывают на то, что лента после закалки является полностью аморфной.

На рисунках 1C,D показаны изображения микроструктуры ПЭМ отожженного образца Fe _73,5 Cu ₁ Nb ₃ Si _13,5 B ₉ при различных увеличениях. Изображение в темном поле (рис. 1C) демонстрирует наличие большого количества наночастиц размером около 20 нм в отожженных образцах. Выбранная картина электронной дифракции показала дифракционные кольца для (1 1 0) и (2 0 0) фазы α -Fe, как показано на вставке к рисунку 1C. Изображение HRTEM отожженных лент продемонстрировало наночастицы размером около 20 нм, внедренные в аморфную матрицу, как показано на рисунке 1D. Картина БПФ, связанная с рисунком 1D, показывает поликристаллическое дифракционное кольцо и диффузное аморфное кольцо. Микроструктуры, идентифицированные с помощью ПЭМ, хорошо согласовывались с результатами рентгеноструктурного анализа.

Измерения магнитного гистерезиса с использованием следующей процедуры для различных диапазонов поля сканирования H _FR от ± 0,1 до ± 70 кЭ были выполнены при 300 К. Для каждого H _FR данные были получается в обычной последовательности: 0 →+ H _FR →− H _FR (нисходящая ветвь) →+ H FR ветвь (окончание 90c FR ветвь) Кроме того, перед каждым измерением магнит размагничивали в режиме колебаний от 7 Тл при 350 К для устранения остаточной намагниченности в образце и магните. На рис. 2 показан ряд нормированных петель намагниченности отожженного Fe 9.0085 73,5 Cu ₁ Nb ₃ Si _13,5 B ₉, которые увеличены в центральной части для лучшего понимания. Полная петля, измеренная в соответствующих диапазонах поля, показана на дополнительном рисунке S1. На рисунке 2А мы ясно наблюдаем явление перевернутой петли гистерезиса с очевидной отрицательной остаточной намагниченностью для H _FR = 3000 Э. Стрелки, приклеенные к кривой, указывают направление переключения магнитного поля. Перевернутая петля гистерезиса с отрицательной остаточной намагниченностью представляет собой петлю по часовой стрелке, что является очевидным отличием от нормальной петли гистерезиса с положительной остаточной намагниченностью и циклом против часовой стрелки. Коэрцитивная сила составляет 12,86 Э и −90,67 Э для нисходящей (HCdes) и восходящей (HCasc) ветвей соответственно. Чистая коэрцитивная сила, определяемая как Hc = HCasc-HCdes, составляет -22,53 Э.

РИСУНОК 2 . Серия нормированных петель M ( H ), увеличенных вблизи начала координат для различных диапазонов поля сканирования нанокристаллического Fe _73,5 Cu ₁ Nb ₃ Si _13,5 B _{9 at _{стрелки, прикрепленные к кривой, представляют направление развертки поля. (A) Normalized M ( H ) loops for H _FR = 3000 Oe of nanocrystalline Fe _73.5 Cu ₁ Nb ₃ Si _13.5 B ₉ sample . Можно отчетливо наблюдать явление перевернутой петли гистерезиса. (B–E) Петли гистерезиса, измеренные при различных диапазонах поля сканирования. При низких полях сканирования обратная петля гистерезиса отсутствует, как показано на (B) , а для более высоких полей сканирования на (C–E) , цикл перевернут.}}

Однако кривая намагничивания не имеет гистерезисного поведения и почти перекрывается для разных H _FR при малых полях сканирования (≤500 Э). Между тем, явление инверсии петли гистерезиса отсутствовало, как видно из рисунка 2В. Кроме того, кривые намагничивания в других более высоких диапазонах поля сканирования (≥1000 Э) показаны на рисунке 2C,E. Начинает наблюдаться поведение перевернутой петли гистерезиса, и соответствующие значения коэрцитивной силы, включая HCdes и HCasc, очень малы, когда диапазон поля сканирования составляет 1000 Э, как показано на рисунке 2C. С увеличением диапазона поля сканирования явление перевернутой петли гистерезиса становится яснее, и коэрцитивная сила постепенно увеличивается. Когда поле сканирования превышает 50 кЭ, кривые намагничивания почти перекрываются, а коэрцитивная сила почти постоянна (≈72 Э). Результаты петель гистерезиса для аморфных образцов на основе Fe также показали результаты, аналогичные результатам для нанокристаллических образцов (см. Дополнительный рисунок S2). Это указывало на то, что происхождение перевернутой петли гистерезиса может не возникать из-за структурных неоднородностей в аморфных сплавах, как предполагалось в предыдущих отчетах (Эшо, 19).76; Цудзимото и Сакураи, 1983 г.; Ошеа и Аль-Шариф, 1994 г.; Ян и Сюй, 1996 г.; Гу и др., 2014).

Поскольку стандартный образец Pd является парамагнитным материалом, кривая намагничивания должна представлять собой прямую линию, проходящую через начало координат и не имеющую гистерезиса. Для дальнейшего изучения причины перевернутой петли гистерезиса в наших образцах были также измерены петли гистерезиса стандартного образца Pd, следуя той же процедуре, что и для сплавов Finemet при 300 К. На рис. 3 показаны M ( H ) увеличенные петли вблизи начала координат для различных диапазонов поля сканирования стандартного образца Pd, а полные петли, измеренные в соответствующих диапазонах полей, на вставке. Мы можем ясно видеть, что перевернутая петля гистерезиса отсутствует при малых полях сканирования (≤ 500 Э), как показано на рисунке 3А. В то время как для более высоких диапазонов поля сканирования (≥ 1000 Э) петли инвертируются (см. рисунки 3B, C). Когда H _FR = 3000 Э, коэрцитивные силы составляют 11 Э и -11,3 Э для нисходящей (HCdes) и восходящей (HCasc) ветвей соответственно. Чистая коэрцитивная сила Hc составляет −22,3 Э, что очень близко к результатам для нашего образца сплава.

РИСУНОК 3 . Петли M ( H ), увеличенные вблизи начала координат, для различных диапазонов полей сканирования стандартного образца Pd при 300 К. Стрелки, приклеенные к кривой, обозначают направление развертки поля. На вставке показана полная петля, измеренная в соответствующих диапазонах поля. (A) При малых полях сканирования инвертированная петля гистерезиса отсутствует для стандартного образца Pd. (B,C) M ( H ) петли для более высоких полей сканирования, петля инвертируется.

Для сравнения, результирующая коэрцитивная сила Hc отожженного образца и стандартного образца Pd построена как функция диапазонов поля сканирования H _FR на рисунке 4. Суммарная коэрцитивная сила почти равна нулю, когда диапазон приложенного магнитного поля менее 1000 Э. Однако результирующая коэрцитивная сила быстро увеличивается, когда диапазон магнитного поля превышает 1000 Э, и она почти достигает насыщения при максимальном поле 50 КОэ. H _c1 , определяемая как результирующая разница коэрцитивных сил между отожженным образцом и образцом Pd, составляет всего несколько Э.

РИСУНОК 4 . Чистая коэрцитивная сила H _c и H _c1 как функция диапазонов поля сканирования H _FR, используемых в измерениях петли гистерезиса.

Поскольку стандартный образец Pd является парамагнитным материалом, отклонение между кривой намагничивания и началом координат может отражать остаточную намагниченность сверхпроводящего магнита, вызванную пиннингом вихря. Из рисунка 3 видно, что когда приложенное магнитное поле превышает 1 кОЭ, а затем магнитное поле удаляется, сверхпроводящий магнит будет иметь отрицательную остаточную намагниченность, и эта отрицательная остаточная намагниченность будет увеличиваться с увеличением приложенного магнитного поля. даже если обработка вибрационным размагничиванием проводится в режиме колебаний от 7T перед каждым измерением. Это указывает на то, что результаты измерения кривой намагничивания могут иметь погрешности для образцов с результирующей коэрцитивной силой менее десятков Э, что не следует игнорировать при приложенном магнитном поле более 1000 Э. Чтобы дополнительно подтвердить наш вывод, мы также выполнили магнитные измерения сплава AlNiCo с большой коэрцитивной силой ~ 1300 Э, используя ту же последовательность, которая намного больше, чем остаточная намагниченность сверхпроводящего магнита после приложения сильного магнитного поля и последующего его удаления. Кривая намагничивания сплава AlNiCo при 300 К представляет собой нормальную петлю гистерезиса с коэрцитивной силой 1 333 Э для H _FR = 7 T (более подробную информацию см. Дополнительный рисунок S3). Кроме того, мы отметили, что обменный уклон | H _EB | почти равна коэрцитивной силе |HCdes| или |HCasc| для перевернутой петли гистерезиса при той же температуре. Следовательно, ранее сообщавшееся смещение обмена (Maity et al. , 2017; Ghising et al., 2020)) также может быть вызвано остаточной намагниченностью сверхпроводящего магнита.

Выводы

Таким образом, инверсия петли гистерезиса наблюдалась в нанокристаллическом Fe _73.5 Cu ₁ Nb ₃ Si _13.5 B ₉ alloy ribbons and amorphous Fe _73.5 Cu ₁ Nb ₃ Si _13.5 B ₉ alloy ribbons at room temperature. Мы доказываем, что явление полностью перевернутой петли гистерезиса вызвано остаточной намагниченностью сверхпроводящего магнита, а не эффектами неоднородности. Подчеркнем, что существуют небольшие различия в остаточной намагниченности для разных устройств MPMS 3. Наши результаты показывают, что результаты кривой намагничивания могут иметь ошибки для образцов с результирующей коэрцитивной силой менее десятков Э, которые нельзя игнорировать, когда приложенное магнитное поле превышает 1000 Э с использованием MPMS 3.

Заявление о доступности данных

Первоначальные материалы, представленные в исследовании, включены в статью/дополнительный материал; дальнейшие запросы можно направлять соответствующему автору.

Вклад авторов

PPS провел эксперименты и написал рукопись; YTW провела анализ данных; BAS задумал данные и написал рукопись.

Финансирование

Это исследование было поддержано Гуандунским крупным проектом фундаментальных и прикладных фундаментальных исследований Китая (грант № 2020B1515120092 и 2019B030302010), Национальный план ключевых исследований и разработок (грант № 2018YFA0703603), Национальный фонд естественных наук Китая (NSFC) (гранты № 51822107, 117 и 61888102), Программа стратегических приоритетных исследований Китайской академии наук наук (грант № XDB30000000) и Пекинской муниципальной комиссии по науке и технологиям (№ Z1

007219006).

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Примечание издателя

Все претензии, изложенные в этой статье, принадлежат исключительно авторам и не обязательно представляют претензии их дочерних организаций или издателя, редакторов и рецензентов. Любой продукт, который может быть оценен в этой статье, или претензии, которые могут быть сделаны его производителем, не гарантируются и не поддерживаются издателем.

Дополнительный материал

Дополнительный материал к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmats.2021.765427/full#дополнительный материал.

Ссылки

Ахарони, А. (1994). Обменная анизотропия в пленках и проблема перевернутых петель гистерезиса. J. Appl. физ. 76, 6977–6979. doi:10.1063/1.358061