Петля гистерезиса что: что это такое, классификация, графики

что это такое, кратко и понятно

Некоторые физические и другие системы с запаздыванием отвечают на различные воздействия, приложенные к ним. При этом отклик на воздействие во многом зависит от текущего состояния системы и определяется предысторией настоящего состояния. Для описания таких явлений применяется термин – гистерезис, что в переводе с греческого означает отставание.

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.

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.

Петля гистерезиса

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

Рис. 1. Петля гистерезиса

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.

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.

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.

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.

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^-7 Н / м используется 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 здесь.

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.

Гистерезис в магнитных материалах

Гистерезис в магнитных материалах

Когда ферромагнитный материал намагничивается в одном направлении, он не будет возвращаться к нулевой намагниченности при удалении наложенного намагничивающего поля. Оно должно быть возвращено к нулю полем в противоположном направлении. Если к материалу приложить переменное магнитное поле, его намагниченность будет описывать петлю, называемую петлей гистерезиса. Отсутствие прослеживаемости кривой намагничивания является свойством, называемым гистерезисом, и связано оно с наличием в материале магнитных доменов. Как только магнитные домены переориентируются, требуется некоторая энергия, чтобы повернуть их обратно. Это свойство ферромагнитных материалов используется как магнитная «память». Некоторые композиции ферромагнитных материалов будут сохранять наведенную намагниченность на неопределенный срок и могут использоваться в качестве «постоянных магнитов». Аспекты магнитной памяти оксидов железа и хрома делают их полезными при записи аудиокассет и для магнитного хранения данных на компьютерных дисках.

Index

Гиперфизика***** Конденсированное вещество ***** Электричество и магнетизм R Ступица

Назад

Обычно намагниченность M образца изображают как функцию напряженности магнитного поля H, поскольку H является мерой приложенного извне поля, которое управляет намагничиванием. Дальнейшее обсуждение концепции Гистерезис в магнитной записи Изменения кривых гистерезиса Коэрцитивность и остаточная намагниченность	Индекс Ссылка Молодой Секунда 29-8
Гиперфизика***** Конденсированное вещество ***** Электричество и магнетизм R Ступица	Назад

Из-за гистерезиса входной сигнал на уровне, указанном пунктирной линией мог дать намагничивание в любом месте между C и D, в зависимости от непосредственной предыдущей истории ленты (т. е. сигнала, который ему предшествовал). Эта явно неприемлемая ситуация исправляется с помощью сигнала смещения, который вращает зерна оксида вокруг своей петли гистерезиса так быстро, что намагниченность в среднем становится равной нулю, когда сигнал не подается. Результат сигнала смещения подобен магнитному вихрю, который оседает до нуля, если на него не накладывается сигнал. Если есть сигнал, он смещает сигнал смещения, так что остается остаток намагниченность пропорционально смещение сигнала. Магнитная запись

Index

Гиперфизика***** Конденсированное вещество ***** Электричество и магнетизм R Ступица

Назад

Существуют значительные различия в гистерезисе различных магнитных материалов. Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт Найти: