Что такое гистерезис?

Говоря простым и понятным языком – гистерезис это ответная, запоздалая реакция некой системы на определённый раздражитель (воздействие). При устранении причины, вызвавшей ответную реакцию системы, либо в результате противоположного действия, она полностью или частично возвращается к первоначальному состоянию. Причём для такого явления характерно то, что поведение системы между крайними состояниями не одинаково. То есть: характеристики перехода от первоначального состояния и обратно – сильно отличаются.

Явление гистерезиса наблюдается:

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

Гистерезис может иметь как полезное, так и пагубное влияние на происходящие процессы. Это отчётливо просматривается в электротехнике и электронике, о чём речь пойдёт ниже.

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. В 1960-х годах в Воронежском университете начал работать семинар под руководством М. А. Красносельского, на котором создавалась строгая математическая теория гистерезиса[3].

Позднее, в 1983 году появилась монография М. А. Красносельского и А. В. Покровского[4], в которой различные гистерезисные явления получили формальное описание в рамках теории систем: гистерезисные преобразователи трактовались как операторы, зависящие от своего начального состояния как от параметра, определённые на достаточно богатом функциональном пространстве (например, в пространстве непрерывных функций), действующие в некотором функциональном пространстве.

Простое и интуитивно-понятное параметрическое описание различных петель гистерезиса предложено в работе Р. В. Лапшина.[5] Помимо классических петель замена в данной модели гармонических функций на трапецеидальные или треугольные импульсы позволяет получить кусочно-линейные петли гистерезиса, которые часто встречаются в задачах дискретной автоматики. Имеется реализация модели гистерезиса на языке программирования R (пакет Hysteresis[6]).

Явление гистерезиса в физике

В физике наиболее часто системы сталкиваются со следующими видами гистерезиса:

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

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

Изотропная и анизотропная сталь – отличия производства

Как можно понять из вышесказанного, характеристики легированного соединения сильно зависят от содержания кремния. Вторым фактором, определяющим свойства металла, выступает его внутренняя структура, которая формируется в процессе производства. В частности горячекатаная и холоднокатаная стали обладают различными по размеру ячейками. Для крупнокристаллических материалов характерны большие величины магнитной проницаемостью, но коэрцитивная сила существенно ниже, чем у металлов с мелкокристаллической структурой. Варьировать размер зерна позволяют два вида обработки: механическая и термическая.

Так отжиг стали способствует понижению внутренних напряжений в металле, одновременно приводя к увеличению кристаллов, образующих его структуру. Горячая прокатка электротехнической стали не способна создать устойчивую ориентацию зерен внутри металла, оставляя ее хаотичной. Подобная изотропная сталь, как результат, характеризуется независимостью магнитных свойств от направления.

Добиться текстурованной структуры с определенной пространственной ориентацией кристаллов в металле позволяет повторной холодной прокатки стали, сопровождающаяся отжигом при особых условиях. Как результат получается анизотропная сталь, где ребра кубической решетки кристаллов установлены в направлении прокатки. Расположив анизотропную сталь в правильном направлении, можно добиться повышения магнитной проницаемости, одновременно понизив коэрцитивную силу.

Производство электротехнической стали налажено в виде листового проката с шириной полосы 240 – 1000 мм. Металл выпускается рулонами или отдельными листами, длина которых варьируется от 720 до 2000 мм. Толщина электротехнического стального профиля начинается с 0.05 мм и может иметь следующие показатели: 0.1, 0.2, 0.35, 0.5 и 1,0 мм. Кроме того, классификация электротехнических сталей по разновидности продукции допускает следующие виды проката: сортовой и лента резанная.

Марки изотропной тонколистовой стали х/к: 2011, 2012, 2013, 2014, 2020, 2020, 2312, 2411, 2412, 2413, 2414, 2421.

Марки анизотропной тонколистовой стали х/к: 3311 (3411), 3411, 3412, 3413, 3414, 3415, 3404, 3405, 3406, 3407, 3408, 3409.

Использование графического изображения гистерезиса для расчётов

Для наглядного эксперимента можно собрать простую схему, представленную ниже:

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

Эксперимент

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

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

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

Энергия намагничивания

Петля считается несимметричной в том случае, когда максимумы поля Н1, которые прикладываются в обратном и прямом направлениях, не являются одинаковыми. Выше была описана петля, которая характерна для медленного процесса перемагничивания. При них происходит сохранение квазиравновесных связей между значениями Н и М. Нужно обратить внимание на то, что при намагничивании или размагничивании происходит отставание М от Н. И это приводит к тому, что вся та энергия, которая приобретается ферромагнитным материалом во время намагничивания, отдается не полностью при прохождении цикла размагничивания. И вот эта разница идет вся в нагрев ферромагнетика. И петля магнитного гистерезиса оказывается в этом случае несимметричной.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Объясните, почему ферромагнетики при циклическом перемагничивании нагреваются тем больше, чем ярче у них выражен гистерезис.

Решение

Рассмотрим ферромагнетик, гистерезис которого представлен рис.2. При увеличении индукции от до совершается работа, которая равна площади, ограниченной ветвью кривой намагничивания 1, то есть площади . При размагничивании до исходного состояния возвращаемая работа равна площади , которая имеет, очевидно меньшую величину. Так, при полном цикле перемагничивания нашего ферромагнетика на каждую единицу объема вещества вводится энергия, равна W, причем: где S — площадь петли гистерезиса. Данная энергия тратится на выполнение работы против коэрцитивных сил в ферромагнетике и в результате переходит в теплоту. Следовательно, ферромагнетики нагреваются тем больше, чем сильнее у них проявляется гистерезис. Читайте также:  Преимущества и недостатки столешниц из бетона для кухни

ПРИМЕР 2

Задание

Зачем тепло гистерезиса учитывают при расчете электрических приборов и устройств?

Решение

Тепло гистерезиса необходимо учитывать при расчете разных электрических устройств, если они содержат ферромагнетики, которые в ходе работы устройства подвержены перемагничиванию. (см. пример 1). Примерами подобных устройств являются железные сердечники трансформаторов, железные якори генераторов постоянного тока. Существование гистерезиса в них ведет к тому, что происходит бесполезная затрата энергии, выделяющаяся в виде теплоты, что понижает коэффициент полезного действия приборов и установок. Для уменьшения ненужных трат используют сорта мягкого железа, у которых петли гистерезиса минимальны, то есть гистерезис проявляется слабо.

В электротехнике есть разные приборы, принцип работы которых основан на электромагнитных явлениях. Где есть сердечник, на котором намотана катушка из проводящего материала, например, меди, наблюдаются взаимодействия за счёт магнитных полей. Это реле, пускатели, контакторы, электродвигатели и магниты. Среди характеристик сердечников есть такая характеристика как гистерезис. В этой статье мы рассмотрим, что это такое, а также какаие польза и вред от данного явления.

Механизм возникновения петли гистерезиса

Эффект Холла

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

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

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

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

Физический процесс при гистерезисе

Чтобы подробно понять процесс гистерезиса

Читайте также:  Устройство кислородного редуктора высокого давления

, необходимо досконально изучить следующие понятия:

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

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

Чтобы увидеть гистерезис

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

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

Чтобы понять общий принцип эффекта гистерезиса, необходимо воспользоваться графиком

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

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

Со сменой полярности напряжения, подводимого к катушке, процесс размагничивания продолжается по той же кривой до состояния насыщения

. Только в этом случае магнитные моменты диполей будут направлены в обратную сторону. С частотой сети процесс будет периодически повторяться, описывая график, получивший название – петля магнитного гистерезиса.

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

Гистерезис – это комплексное понятие

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

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

Читайте также:  Устройство и принцип работы силового трансформатора

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.

Видео

Источник

Динамический гистерезис

Рассмотрим явление запаздывания ответной реакции во времени на примере механической деформации. Предположим у нас есть металлический стержень, обладающий упругой деформацией. Приложим к одному концу стержня силу, направленную в сторону другого конца, который покоится на опоре. Например, поставим стержень под пресс.

По мере возрастания давления, тело будет сжиматься. В зависимости от механических характеристик металла, реакция стержня на приложенную силу (напряжение) будет проявляться по-разному: вначале сила упругости постепенно будет возрастать, потом она резко устремится к пороговому значению. Достигнув порогового значения, сила упругого напряжения уже не сможет противодействовать возрастающему нагружению.

Если увеличивать силу давления, то в стержне произойдут необратимые изменения – он, либо изменит свою форму, либо разрушится. Но мы не будем доводить наш эксперимент до такого состояния. Начнём уменьшать силу давления. Реакция напряжения при этом будет меняться зеркально: вначале резко понизится, потом постепенно будет стремиться к нулю, по мере разгрузки.

Отставание процесса развития деформации во времени, под действием приложенного механического напряжения вследствие упругого гистерезиса описывается динамической петлей (см. рис. 2). Явление обусловлено особенностями перемещений дислокаций микрочастиц вещества.

Различают упругий гистерезис двух видов:

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

Причиной динамического гистерезиса являются также силы термоупругости и магнитоупругости.

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.

Подобная зависимость хорошо просматривается на примере человеческого тела. Чтобы изменить его состояние потребуется какой-то отрезок времени на релаксацию. Поэтому реакция тела будет всегда отставать от причин, вызвавших измененное состояние. Данное отставание значительно уменьшается, если изменение внешних условий также будет заме для ться. Тем не менее, в некоторых случаях может не произойти уменьшения отставаний. В результате, возникает неоднозначная зависимость величин, известная как гистерезисная, а само явление называется гистерезисом.

Эта физическая величина может встречаться в самых разных веществах и процессах, однако чаще всего рассматриваются понятия диэлектрического, магнитного и упругого гистерезиса. Магнитный гистерезис как правило появляется в магнитных веществах, например, таких как ферромагнетики. Характерной особенностью этих материалов является самопроизвольная или спонтанная неоднородная намагниченность, наглядно демонстрирующая это физическое явление.

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.

ЧИТАТЬ ДАЛЕЕ: Перекос фаз в трехфазной сети: что это такое, причины, последствия, защита

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.

Однодоменные ферромагнетики

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

Петля гистерезиса

Кривая, характеризующая ход зависимости ответной реакции системы от приложенного воздействия называется петлёй гистерезиса (показана на рис. 1).

Рис. 1. Петля гистерезиса

Читайте также:  Лист сталь С345 ГОСТ 27772-88

Все петли, характеризующие циклический гистерезис, состоят из одной или нескольких замкнутых линий различной формы. Если после завершения цикла система не возвращается в первоначальное состояние, (например, при вязкоупругой деформации), то динамическая петля имеет вид кривой, показанной на рисунке 2.

Рис. 2. Динамическая петля

Анализ гистерезисных петель позволяет очень точно определить поведение системы в результате внешнего воздействия на неё.

Как сделать термореле своими руками

Подходящее по способу действия термореле можно заказать в интернет-магазине, а можно собрать своими руками. Чаще всего, самодельные регуляторы температуры воздуха рассчитываются на питание от аккумулятора на 12 В. Можно запитать термореле и к электропроводке через силовой кабель.

Для того чтобы смастерить терморегулятор, необходимо заранее подготовить корпус прибора и другие инструменты для работы

Для того, чтобы собрать надежный терморегулятор с датчиком следует:

1. Подготовить корпус прибора. Для этих целей можно выбрать корпус от старого электрического счётчика, автоматического выключателя.
2. Ко входу компаратора (помеченного знаком «+») подключить потенциометр, а минусовому инверсному входу – термодатчики типа LM335. Схема работы устройства достаточно простая. При повышении напряжения на прямом входе, транзистор подает питание на реле, а оно, в свою очередь, на нагреватель. Как только напряжение на обратном входе станет выше, чем на прямом, уровень на выходе компаратора приблизится к нулю, и реле отключится.
3. Создать отрицательную связь между прямым входом и выходом. Это создаст пределы включения и отключения терморегулятора.

Для питания терморегулятора можно взять катушку от старого электромеханического электросчетчика. Для получения необходимого напряжения в 12 В, нужно будет намотать на катушку 540 витков. Для этого лучше всего использовать медный провод диаметром не менее 0,4 мм.

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.

Читайте также:  Методическая разработка урока по теме «Металлы в моей профессии» по дисциплине «Естествознание»

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.

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.

Вещества и их магнитные свойства

Вещества, обладающие естественными магнитными свойствами, называют ферромагнетиками. Обычно они используются как постоянные магниты, по составу обычно это металлы, но встречаются и ферримагнитные составы, состоящие из неметаллических элементов. Нужно отметить, что естественная намагниченность существует только при определённом диапазоне температур. По достижении температуры, так называемой точки Кюри, все магнитные свойства элемента теряются. Точка Кюри для разных минералов и веществ отличается.

Природный магнетизм этих веществ изучен и с древних времён поставлен на службу человечеству. Например, всем известен магнитный компас или неодимовые магниты. Основной характеризующий признак этих элементов – это способность создавать собственное магнитное поле, без влияния любого рода извне. Присутствие в составе атомов этих минералов и их смесей некомпенсированных спиновых магнитных моментов служит основной причиной возникновения такого явления, как ферромагнетизм. Обмен при взаимодействии электронов элемента при строго определённом отношении диаметра орбиты атома и его оболочки, при положительной величине интеграла энергии приводит к параллельной ориентации спинов. Ориентация спинов такого рода обеспечивает значение минимальной суммы энергии обменно-магнитного взаимодействия. Нужно отметить что вещества, обладающие обратными характеристиками, обычно называют антиферромагнетиками – это такие металлы, как марганец и хром.

При таком распределении возникают однонаправленные области естественной намагниченности – домены, при включении их в замкнутую сеть достигается наибольшая эффективность действия общего магнитного поля. Но при различной направленности в рядом расположенных доменах между ними появляются пограничные слои, в которых вектор намагниченности постепенно поворачивается в сторону направления вектора следующего домена.

В качестве наиболее простого примера можно взять железо. Кристалл этого металла наиболее легко намагничивается в направлении рёбер, грани обладают средним коэффициентом намагниченности, в то время как точкой наиболее сложной поддающейся намагничиванию является пересечение диагоналей кристалла. В отсутствии магнитного поля кристалл железа размагничен, но при воздействии на него внешнего поля он генерирует собственное. При этом на рост доменов влияет как направление поля, так и сама структура кристалла. Преодоление дефектов структуры и вызывает скачкообразный прирост собственного магнитного поля. В результате такого нарастания появляются импульсы напряжения, вектора которых при увеличении силы внешнего поля поворачиваются в его сторону, до полного совпадения по направлению с ним.

Магнитные вещества по своим характеристикам делятся на:

• магнитомягкие;
• магнитотвердые.

Магнитомягкие вещества обладают значительной коэрцитивной силой, за счёт чего их насыщение производится сравнительно быстро и при малых затратах энергии. Твёрдые вещества обладают малыми магнетическими способностями, но в то же время успешно работают при больших потерях энергии.

Магнитное поле железа

Зависимость величины вектора поляризации от внешнего электрического поля для сегнетоэлектрика

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

Читайте также:  Марки СИП проводов — отличия, характеристики. Разница затрат монтажа.

Неполяризованный диэлектрик помещаем в электрическое поле ($P=0;;E=0$) (точка О на рис.1), постепенно увеличиваем его напряженность. Рост величины $left|overline{P}right|$ идет вдоль отрезка кривой $OA$. В точке $A$ поляризация образца такова, что в этом состоянии векторы поляризации всех отдельных доменов ориентированы вдоль поля. Начиная от точки $A,$ поляризованность диэлектрика увеличивается из-за индуцированной поляризации (поляризация за счет электронного и ионного смещения). На прямолинейном отрезке $AA’$ величина поляризации прямо пропорциональна величине напряженности поля. Если продолжить отрезок $AA’$ до пересечения с осью $P$, то отрезок $OP_c$ равен величине спонтанной поляризации. Из наклона ветви насыщения ($AA’$) можно найти электрическую проницаемость кристалла вдоль полярной оси.

Рассмотрим поведение поляризации при уменьшении напряженности поля. Уменьшаем $E$ (от точки $A’$). В этом случае модуль поляризации будет уменьшаться, следуя по кривой $A’ACB_1. $Данная кривая находится выше, чем кривая, по которой происходила поляризация сегнетоэлектрика. Получаем, что процедура смены ориентации и изменения размеров доменов в поле опаздывает. В том стоит явление гистерезиса. Вектор поляризации не является однозначно определенным напряженностью внешнего поля, а связан с предысторией вещества. Дойдя до $E=0,$ изменим направление поля на противоположное и вновь станем увеличивать $E$. Получим отрезок кривой: $B_1A_1{A’}_1$.

Если от точки ${A’}_1$ начать вновь уменьшать напряженность электрического поля, то изменение поляризации идет по кривой ${A’}_1A_1C_1B$. От точки $B$ вновь увеличиваем напряженность и получаем кривую ${A’}_1A_1C_1BAA’$ которая симметрична кривой $A’ACB_1A_1{A’}_1$ по отношению к точке О. В результате имеем замкнутую кривую, которая носит название петли гистерезиса.

Терминология

Гистерезис происходит от греческого языка, означает отставание или запаздывание. Это понятие используют в различных отраслях научных и технических знаний. Самое общее значение этого слова подразумевает разную манеру поведения систем в противоположном влиянии.

Детально это можно объяснить следующим образом. Гистерезис – это условие, возникающее вследствие воздействия одной физической величины, намагниченности, на другую физическую величину из внешней среды, магнитное поле.

Такое условие можно наблюдать в том случае, если состояние предмета изменяется под давлением внешних условий в этот же и предыдущий период времени.

Неоднозначность зависимости таких значений может наблюдаться в разных процессах потому, что, чтобы состояние тела претерпело изменение, ему необходимо определенный промежуток времени. И чем выше медлительность изменения внешней среды, тем меньше такое отставание. Это и является гистерезисом. Он бывает магнитным, диэлектрическим и упругим условием.

Нас интересует данное магнитное явление, возникающее в электротехнике. Оно является важной характеристикой для металла, из которого изготавливают сердечник электрической машины или аппарата. Давайте рассмотрим этот процесс с помощью графика.

Здесь изображена первоначальная кривая намагничивания ферромагнитного материала. Подробно это можно описать так.

Изначально намагнитив сердечник вплоть до насыщения в отрезке «индукция Bs, напряженность Hs» и снизив напряженность от +Hs до 0, индукция не изменится по кривой 3, а пойдет по проходящему выше участку ABr кривой I. Намагниченность материала останется при Н=0, а поле приобретет характеристику остаточной индукции Br.

При увеличении Н от 0 до значения Н=-Hs, изменится направление тока в катушке и знак напряженности магнитного поля Н. При достижении индукцией нулевых значений при указании напряженности поля Н=Нс, что является коэрцитивной силой, изменится знак и будет достигнута индукция насыщения В=-Вs при Н=-Нs.

Намагнитившись, в течение полного цикла зависимостью B (H) описывается петля I, которая называется предельная петля магнитного гистерезиса. Исходя из величины Pc по предельной петле бывают мягкие и твердые ферромагнетики.

В практических целях это можно описать следующим образом. Проводники пропускают ток и способствуют возникновению магнитного и электрического полей вокруг него. Получение электромагнита происходит путем сматывания провода в катушку и пропуска тока. Индуктивность катушки увеличится при помещении внутри нее сердечника с увеличением сил, возникших у нее.

Гистерезис зависим от металла, из которого изготовлен сердечник, именно его вид определяет свойства и работу, обозначаемую кривыми намагничивания.

При использовании магнитотвердых металлов типа стали, мы заметим расширение гистерезиса. Если наш выбор остановится на мягких материалах, то будем наблюдать сужение графика.

Через катушку в цепи с переменным током будут наблюдаться движения тока в разных противоположных направлениях.

Вследствие этого все время будет происходить переворачивание полюсов. Этот процесс является одновременным в случае катушки, у которой отсутствует сердечник.

Однако при его наличии все немного изменится. Произойдет постепенное намагничивание, магнитная индукция возрастет и горизонтальный участок графика, обозначаемый как участок насыщения, будет достигнут.

Если целенаправленно менять направление тока и магнитного поля, то произойдет перемагничивание сердечника. Даже при простом выключении тока и исключении магнитного поля сердечник останется намагниченным, при этом претерпит некоторые изменения.

Для его размагничивания до первоначальных характеристик необходимо создание минусовой напряженности магнитного поля. Значит, катушка с током должны сработать в противоположную сторону.

Здесь следует снова упомянуть такое понятие как коэрцитивная сила и дать ей понятное определение, исходя из практики. Она показывает насколько трудный процесс намагничивания, когда сердечник полностью размагничен. Лучше, если она малая.

Обратное перемагничивание происходит также, но при участии нижней ветви.

Это означает, что сердечник будет магнититься за счет части энергии в цепи переменных токов, что приведет к снижению коэффициента полезного действия электродвигателя, трансформатора и нагреву деталей.

Для того, чтобы потери в связи с перемагничиванием сердечника были минимальными, гистерезис и показатели коэрцитивной силы должны быть малы.

Возникает данное явление в работе реле, в иных электромагнитных устройствах и в токе выключения и заключения.

Реле сработает и в выключенном состоянии, если подать немного тока. При включении ток заключения будет выше тока удержания. Отключение произойдет, если эти величины изменятся на прямо противоположные значения.

Гистерезис в электронике

При срабатывании различных пороговых элементов, часто применяемых в электронных устройствах, требуется задержка во времени. Например, гистерезис используется в компаратороах или триггерах Шмидта с целью стабилизации работы устройств, которые могут срабатывать в результате помех или случайных всплесков напряжения. Задержка по времени исключает случайные отключения электронных узлов.

На таком принципе работает электронный термостат. При достижении заданного уровня температуры устройство срабатывает. Если бы не было эффекта задерживания, частота срабатываний оказалась бы неоправданно высокой. Изменение температуры на доли градуса приводило бы к отключению термостата.

На практике часто разница в несколько градусов не имеет особого значения. Используя устройства, обладающего тепловым гистерезисом, позволяет оптимизировать процесс поддержания рабочей температуры.