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.
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 замедляться.
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.
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.
Правило буравчика — определение, формулировка и применение
Правило буравчика, правой и левой руки — кратко и понятно
Правило левой руки: применение правила Буравчика, формулы, примеры задач
Мультиметр: назначение, виды, обозначение, маркировка, что можно измерить мультиметром
Реверсивный пускатель: подключение и запуск, настройка реверса
Закон Ома для переменного тока
что это такое, как получить петлю гистерезиса на осциллографе, примеры
Начнем с основного определения.
Диэлектрическим гистерезисом называется явление неоднозначной зависимости поляризованности P→ от напряженности внешнего поля E→ у сегнетоэлектриков при циклических изменениях.
Доменная структура сегнетоэлектрика обусловливает нулевое значение дипольного момента его кристалла в отсутствие диэлектрика. При этом дипольные моменты отдельных доменов взаимно компенсируются, и домен в целом оказывается неполяризованным. Если поля накладываются друг на друга, то ориентация доменов частично изменяется: одни из них увеличиваются, а другие уменьшаются, из-за чего в кристалле возникает поляризация P→. На графике ниже показано, как именно поляризация зависит напряженности поля.
Рисунок 1
Мы видим, что сначала поляризация растет по кривой ОА. После достижения точки векторы поляризации всех доменов меняют ориентацию на параллельную по отношению к полю E→. На этом участке поляризация растет за счет индуцирования Pi→~E→, после чего совершается переход на прямолинейный участок AD.
Выходит, что P→ не может быть однозначно определена полем E→, т.к. она сохраняет зависимость от «истории» сегнетоэлектрика. Смена поля в обратном порядке показана нижней кривой D’A’BAD, которая будет симметрична по отношению к D’A’B’AD.
Определение 2На графике мы видим замкнутую кривую, называемую диэлектрической петлей гистерезиса.
Петли для электрической индукции могут быть получены точно таким же образом. Отложим электрическое смещение D→ по оси Oy и получим следующее:
D→=ε0E→+P→.
Отличия петли гистерезиса для индукции заключаются только в масштабе кривых P=P(E), поскольку во всех сегнетоэлектриках E≪D, значит, мы можем пренебречь первым слагаемым. Стрелки на графике указывают то направление, в котором происходит движение по кривой при смене напряженности поля. На отрезке ОС показана остаточная поляризованность (такая, которая наблюдается у сегнетоэлектрика при падении напряженности поля до нуля). На отрезке OB’ показана напряженность, противоположно направленная по отношению к поляризованности. При такой напряженности поляризация данного сегнетоэлектрика полностью исчезает. Чем длиннее отрезок ОС, тем больше остаточная поляризация; чем больше OB’, тем лучше сегнетоэлектрик удерживает остаточную поляризацию.
Как получить петлю гистерезиса на осциллографе
Если у нас есть осциллограф, то мы можем увидеть петлю гистерезиса на его экране. Для этого нам нужно соединить два конденсатора последовательно и заполнить пространство между обкладками одного из них сегнетоэлектрическим материалом.
Обозначим емкость данного конденсатора как Cs. Система будет подключена к генератору переменного тока. Последовательное соединение конденсаторов дает нам одинаковые заряды на их обкладках, а также одинаковые индукции:
D0=D
Здесь показатель D0 обозначает индукцию поля в конденсаторе с обычным диэлектриком, а D — с сегнетоэлектриком. Поскольку значение диэлектрической проницаемости обычного конденсатора является постоянной величиной, то напряжение на обычном конденсаторе будет прямо пропорционально индукции.
Определение 3Если на горизонтально отклоненные пластины осциллографа подать напряжение с конденсатора с сегнетоэлектриком, а на вертикальные – с обычного конденсатора, то мы увидим на экране петлю гистерезиса.
Примеры существования гистерезиса в разных условиях
Пример 1Условие: поясните, как именно можно проиллюстрировать роль доменов в поляризации сегнетоэлектрика с помощью явления гистерезиса.
Решение
Сегнетоэлектрик обладает нелинейными свойствами из-за наличия в нем доменов.
Нам важно такое свойство, как нелинейная зависимость между поляризацией P→ и напряженностью внешнего поля E→:
P→=χE→ε0E→
Здесь χE→ — показатель, выражающий диэлектрическую восприимчивость, который также зависит от напряженности внешнего поля. Именно эта зависимость ведет к гистерезису в электрическом поле.
Вернемся к иллюстрации, представленной выше. Если взять небольшие поля, например, отрезок OA1, то на нем будет видно, что поляризация зависит от напряженности линейно, поскольку домены в ней еще не участвуют. На A1A также поляризация показывает быстрый рост с увеличением напряженности поля, поскольку процесс переориентации доменов вдоль внешнего поля идет постепенно. После этого мы видим линейное возрастание поляризации, уже не связанное с доменной структурой, которое происходит за счет индуцирования процесса полем. Если мы уменьшим напряжение, то от точки А первичный процесс пойдет в обратном порядке. В сегнетоэлектрике остается поляризация, значит, какое-то время он пытается сохранить прежнюю ориентацию доменов.
Если же мы приложим поле с обратным направлением, то поляризация упадет до 0, а если будем продолжать повышать напряженность, то домены переполяризуются (изменят знак), после чего произойдет насыщение A’D’.
Ответ: Насыщение означает, что все домены сориентируются по полю, но в противоположном направлении.
Пример 2Условие: на рисунке представлена схема опыта с осциллографом. Два конденсатора (один с обычным диэлектриком между обкладками, второй с сегнетоэлектриком) подключены к генератору, создающему гармонически меняющуюся разность потенциалов на обкладках. Расстояния между обкладками и их площадь одинаковы. Поясните, почему в ходе опыта можно наблюдать гистерезис.
Рисунок 2
Решение
Разность потенциалов, указанная в первоначальном условии, будет распределяться между двумя конденсаторами. Обозначим расстояние между обкладками буквой d и запишем выражения, с помощью которых выражается напряженность полей в конденсаторах:
E=σε1ε0 и ES=σsεsε0.
Здесь σ, σS – показатель поверхностной плотности распределения зарядов на обкладках, εS – диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика, а ε1 – проницаемость обычного диэлектрического материала.
Конденсаторы на схеме соединены последовательно, значит, заряды на их обкладках будут равными. Данные конденсаторы имеют одинаковую площадь, значит:
σ=σS.
Запишем, чему будут равны разности потенциалов между обкладками:
U=Ed=σdε1ε0 и Us=Usd=σdεSε0.
Вычислим соотношение USU:
USU=γdεSε0:γdε1ε0=ε1εS.
Если мы подадим на горизонтальную пластину осциллографа напряжение величиной U, а на вертикальную – US, то можно будет записать следующее:
tg φ=USU=ε1ε0Eεsε0E
Рисунок 3
Ответ: Следовательно, при изменениях напряженности на экране осциллографа появится кривая с абсциссой точек в определенном масштабе εSE и ординатой ε0ε1E=D. Это и будет нужная нам кривая гистерезиса.
Автор: Роман Адамчук
Преподаватель физики
Что вы подразумеваете под гистерезисом? Объясните петлю гистерезиса и потерю гистерезиса.
Ответить
Проверено
170,4 тыс.+ просмотров
Подсказка: Гистерезис возникает в системе с магнитным полем. Петля гистерезиса представляет плотность магнитного потока и напряженность намагничивающего поля. Поскольку ток течет в обоих направлениях, потери на гистерезис вызваны намагничиванием и размагничиванием сердечника. Поскольку ток течет в обоих направлениях, потери на гистерезис вызваны намагничиванием и размагничиванием сердечника.
Полный ответ:
Гистерезис- Эффект гистерезиса возникает, когда намагниченность ферромагнитных материалов отстает от намагниченности магнитного поля. Всякий раз, когда ферромагнитное вещество вставляется в катушку с током, оно намагничивается в результате присутствия магнитного поля. Гистерезис — это процесс размагничивания вещества путем изменения направления тока.
Петля гистерезиса. Петля формируется путем непрерывного контроля магнитного потока, создаваемого ферромагнитным веществом при изменении внешнего намагничивающего поля.
На графике показана петля гистерезиса.
Когда напряженность магнитного поля (H) увеличивается с нуля до единицы, плотность магнитного потока (B) увеличивается.
Значение магнетизма увеличивается, когда магнитное поле увеличивается, пока не достигнет точки A, также известной как точка насыщения, где B остается постоянным.
По мере уменьшения значения магнитного поля уменьшается и значение магнетизма. Однако вещество или материал сохраняет некоторую магнитную способность к удерживанию, иногда известную как остаточный магнетизм, когда B и H оба равны нулю.
Когда магнитное поле смещается в отрицательную сторону, магнетизм также уменьшается. Материал полностью размагничен в точке C.
Коэрцитивная сила — это величина силы, необходимая для устранения способности материала к удерживанию (C).
Цикл повторяется в противоположном направлении с точкой насыщения D, точкой сохранения E и коэрцитивной силой F.
Процессы прямого и противоположного направления завершают цикл, который называется петлей гистерезиса.
Потеря гистерезиса. Гистерезис может вызвать потерю энергии в ферромагнитных сердечниках электрических машин. Это связано с тем, что направление протекания переменного тока и, следовательно, направление создаваемого им магнитного поля постоянно меняются. Это заставляет молекулы в ядре мигрировать, чтобы исправить их выравнивание. Эти молекулы сталкиваются друг с другом во время этого движения, вызывая трение и тепло. Гистерезисные потери — это потери энергии, вызванные трением молекул в ядре.
Примечание:
Ферромагнитные материалы имеют общую характеристику, называемую гистерезисом. Гистерезис — это явление, которое наблюдается во всех ферромагнитных материалах. Количество магнетизма, которое сохраняется после удаления внешнего намагничивающего поля, известно как сохраняемость. Величина обратного (отрицательного H) внешнего намагничивающего поля, необходимая для полного размагничивания вещества, называется коэрцитивной силой.
Дата последнего обновления: 20 апреля 2023 г.
•
Всего просмотров: 170.4k
•
Просмотров сегодня: 4,39k
Гистерезис – определение и преимущества петли гистерезиса
Гистерезис возникает в системе, в которой присутствует магнитное поле. Это также общее свойство ферромагнитных веществ. В общем, когда намагниченность ферромагнитных материалов отстает от магнитного поля, этот эффект можно назвать эффектом гистерезиса.
Термин «гистерезис» означает «отставание». Термин гистерезис характеризуется отставанием интенсивности намагниченности (В) от напряженности магнитного поля (Н).
Все ферромагнитные материалы проявляют явления гистерезиса. Чтобы лучше понять концепцию, давайте рассмотрим пример, когда ферромагнитное вещество находится внутри катушки с током. Благодаря магнитному полю, которое присутствует, вещество намагничивается. Если мы изменим направление тока, вещество размагнитится, и этот процесс называется гистерезисом.
Существует два типа гистерезиса, которые можно представить как
Петля гистерезиса
Петля гистерезиса показывает взаимосвязь между интенсивностью намагничивания и намагничивающим полем. Эта петля создается путем измерения магнитного потока, исходящего от ферромагнитного вещества при изменении внешнего намагничивающего поля.
(изображение будет обновлено в ближайшее время)
(изображение будет обновлено в ближайшее время)
Указывая на график, если B измеряется для различных значений H и если мы наносим результаты в графической форме, график покажет петлю гистерезиса.
Интенсивность магнетизма (B) увеличивается, когда магнитное поле (H) увеличивается от 0 (ноль).
С усилением магнитного поля значение магнетизма увеличивается и, наконец, достигает точки A, известной как точка насыщения, где B постоянна.
С уменьшением величины магнитного поля уменьшается величина магнетизма. Но в точке B и H равны нулю, материал или вещество сохраняет небольшое количество магнетизма, называемого остаточным или сохраняющим магнетизмом.
Когда происходит уменьшение магнитного поля в отрицательную сторону, происходит уменьшение магнетизма. В точке С вещество полностью размагничено.
Сила, необходимая для устранения удерживающей способности материала, называется коэрцитивной силой (C).
Цикл продолжается в обратном направлении, где точка удерживания E, точка насыщения D и коэрцитивная сила F.
Из-за процесса противоположного и прямого направления цикл завершается, и этот цикл известен как петля гистерезиса.
Преимущества петли гистерезиса
Меньшая область петли гистерезиса является признаком меньшей потери гистерезиса. Петля гистерезиса дает вещество с важностью коэрцитивности и удерживающей способности. Таким образом, выбор правильного материала для изготовления постоянного магнита упрощается сердцем машин.
Остаточный магнетизм можно рассчитать по графику B-H, поэтому выбрать материал для электромагнитов просто.
Потери энергии из-за гистерезиса
Лучшим примером определения потерь энергии из-за гистерезиса является трансформатор, и, как мы знаем, во время процессов намагничивания и размагничивания требуется энергия.
Во время цикла намагничивания и размагничивания магнитных веществ будет затрачиваться некоторая энергия. Эта израсходованная энергия проявляется в виде тепла, и эти потери тепла известны как гистерезисные потери.
Потери энергии на единицу объема вещества = площадь кривой гистерезиса
В трансформаторах энергия постоянно теряется в виде тепла из-за непрерывного процесса намагничивания и размагничивания. В связи с этим эффективность потерь энергии трансформатора снижается.
Чтобы остановить эту потерю энергии, в трансформаторах используется сердечник из мягкого железа, поскольку потери на гистерезис или потери энергии в случае мягкого железа намного меньше, чем в других материалах.
Разница между магнитомягкими и магнитотвердыми материалами
Мягкий магнит | |
Процесс намагничивания и размагничивания прост. | Процесс намагничивания и размагничивания затруднен. |
Мягкий магнит можно получить путем постепенного нагревания и последующего охлаждения. |
