Что такое гистерезис, какие польза и вред от данного явления

Для различных физических, химических, экономических и даже социальных явлений свойственен эффект запаздывания реакции. Данное явление возникает в следствии реакции на определенное раздражение, действие или воздействие. Статья даст подробное описание, что такое гистерезис. Опишет самые распространенные его варианты, влияние этого эффекта в электротехнике и электронике.

Петля

Для расчета данного явления, его влияния на определенную систему или предмет используется петля гистерезиса. Она представляет собой график, на который наложена кривая первоначального состояния системы и хода ее ответной реакции на возбуждение.

Эффект гистерезиса может быть различным: иметь как полезные, так и отрицательные свойства. Данное явление учитывается в различных сферах: это может быть физика, экономика и даже социология. В физике гистерезис обязательно учитывается при расчетах различных величин, взаимодействии сил, мощностей и магнитных полей. Самыми распространенными типами гистерезиса являются:

1. Магнитный.
2. Упругий.
3. Сегнетоэлектрический.

Далее более подробно будет описан каждый тип этого явления.

Упругий

Явление упругого гистерезиса свойственно для различных металлов. Понятным языком это можно объяснить так.

Металлический стержень стоит на опоре одним своим концом. Металл в данный момент находится в спокойном состоянии, при этом обладает собственной деформационной упругостью. На свободный конец стержня приложим определенное давление, например, при помощи пресса. В металле, под воздействием нарастающего давления, начнут проявляться следующие свойства:

1. Первичное возрастание силы упругости.
2. Скачок величины упругости до максимальных значений.
3. Снижение силы противодействия в результате превышения максимальных характеристик упругости.

Если продолжать увеличивать давление, оно сможет согнуть, сломать или раскрошить стержень. Если прервать процесс воздействия на стержень, это приведет к следующему:

• К скачку динамического напряжения на стержень в сторону снижения давления.
• Общее снижение нагрузки.

После того как нагрузка будет снята, стержень вернет свои первоначальные характеристики. В зависимости от типа металла, характеристики могут вернуться полностью или частично. Если металл относится к вязкоупругим, его гистерезисная петля будет иметь узкую структуру, по причине неполного возврата металла к первоначальному состоянию

Упругий гистерезис может быть двух видов:

1. Статический тип. Свойственен для вязкоупругой или неупругой деформации. Такая деформация не в состоянии полностью восстановить параметры упругости и напряжение при полном или частичном снятии нагрузок. Например, стержень под нагрузкой сгибается и не может восстановить свое состояние после окончания воздействия.
2. Динамический тип. При таком гистерезисе нагрузка на систему не способна достичь предела ее характеристики упругости, даже если воздействие имеет циклический характер. Причины гистерезиса такого типа могут быть различные, например, это могут быть силы магнитной или термической упругости.
3. Упругий гистерезис сильно зависим от состава исходного вещества и способности микрочастиц менять свою дислокацию при изменении давления или нагрузки.

Магнитный

Часто возникающий гистерезис в электротехнике — это магнитный. В этой сфере используются элементы со свойством намагничивания/размагничивания. Различные трансформаторы, катушки индуктивности имеют ферромагнитные сердечники, от материала которых зависит сила магнитного поля элемента. Для изучения влияния различных по свойствам материалов сердечников используются ферромагнитные петли гистерезиса. Также при помощи петли можно изучить нелинейную зависимость внутренних магнитных индукций от внешнего магнитного поля.

При протекании переменного тока через катушку возникает эффект отставания намагничивания. Связано это с тем, что после размыкания цепи (обесточивания), ферромагнитный сердечник не размагничивается полностью, а сохраняет часть намагничивания с ориентацией полюса.

Для изменения полярности сердечника его потребуется перемагнитить заново. Для этого потребуется изменить направленность тока, преодолеть коэрцитивную силу и затратить немного больше энергии. Преодоление коэрцитивной силы и рост энергии приведет к нагреву сердечника. Все эти силы и затраты приводят к эффекту потерь гистерезиса. У подобных ферромагнетиков петля гистерезиса будет более широкой.

Материалы ферромагнетики различают по способности быстрой смены остаточного намагничивания:

1. Магнитомягкие. Такие сердечники можно встретить в трансформаторе, дросселе. Им свойственна более узкая петля гистерезиса.

   

2. Магнитотвердые. Используются для элементов памяти или магнитов. Им свойственна широкая петля на графике, большая потеря гистерезиса и нагрев при перемагничивании.

Намагничивание сердечников выражается не только в их способности удерживать магнитное поле с определенным полюсом. На такие элементы также влияет направленность вращения полей, которые приводят к сдвигам временных характеристик намагничивания.

Для магнитного гистерезиса также характерно наличие двойной петли. Этот эффект полностью зависит от способности удерживать остаточный магнетизм. Первая наружная петля обозначает максимальный гистерезис, а внутренняя петля является петлей частотного цикла.

Свойства магнитного гистерезиса используются в электротехнике для создания электрических двигателей, коммутационного оборудования, различных магнитных реле.

Сегнетоэлектрический

У диэлектрических материалов нет свободных зарядов. Их электроны привязаны к атомам и неспособны к перемещению. При воздействии на диэлектрик сильного магнитного поля, его заряды поляризуются и изменяют ориентацию на противоположную. Чем выше поле, тем выше вектор поляризации. Он растет нелинейно. У диэлектрика есть порог поляризации, при достижении которого возникает диэлектрический или сегнетоэлектрический гистерезис.

На величину поляризации часто влияет повышение температуры диэлектрика. При достижении определенной температуры (зависит от свойств материала) начинается самопроизвольная и неконтролируемая поляризация, которая не зависит от внешних электрических полей.

Электрический

В электронике используется такое понятие как электрический гистерезис. Для этой сферы данное явление имеет полезное и вредное свойство.

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.

Полезный гистерезис

Гистерезис в электронике используется при создании электронных термостатов. Такие устройства работают по принципу включения или отключения при достижении определенного условия. Например, если разница установлена на 2 градуса, а температурный режим на 20 градусов, то терморегулятор включится при достижении 18 градусов, а отключится когда температура станет 22 градуса. Такой подход помогает значительно снизить расход электрической энергии при постоянной работе обогревателя.

Также этот эффект применяется при работе триггеров. Гистерезис помогает осуществлять точное включение без влияния помех, перепадов напряжения или магнитных полей.

Это явление способно проявляться на биметаллических пластинах. Такие элементы способны терять и восполнять упругость своей структуры при смене температуры. При нагреве материала возникает тепловое расширение, которое изменяет механическое напряжение всей структуры. В результате контакт размыкается. После остывания, структура пластины принимает исходный размер, возвращает первоначальное свое механическое напряжение и замыкает контакт. Такие терморегуляторы часто устанавливаются в нагревательных приборах (печи, утюги, чайники). Момент между нагреванием и остыванием называется температурным зазором. Он устанавливается только в зависимости от способности вещества расширяться и сужаться при определенной температуре.

В электронике и электротехнике

Петля гистерезиса для триггера Шмитта имеет прямоугольный вид.

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

Гистерезис используется для подавления шумов (быстрых колебаний, дребезга контактов) в момент переключения логических сигналов.

В электронных приборах всех видов наблюдается явление : 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 источниках опорного напряжения, используемых в измерительных аналого-цифровых преобразователях. В современных микросхемах относительный сдвиг опорного напряжения вследствие теплового гистерезиса составляет порядка 10—100 ppm.

Погрешность

В электронике гистерезис может и навредить работе некоторых приборов. Такой эффект называется погрешность (ошибка) гистерезиса. Часто такой эффект можно наблюдать у датчика движения. Например, при движении объекта из точки А к точке Б датчик срабатывает в течение 1 секунды. А при движении в обратном направлении с сохранением траектории, датчик включается с замедлением 2 секунды. Причина этого явления кроется в разности выходных сигналов для входных сигналов, которые отличаются величиной при убывании и возрастании. При перемещении из точки А к точке Б величина входящего сигнала имеет разницу 30 МБ от величины того же сигнала при перемещении в обратном направлении. При учете чувствительности датчика 15 МБ/мм, гистерезис составит 3 мм. Разница величины сигнала зависит от изменения температуры воздуха, внешних помех, эффекта трения или дребезга контактов.

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.

Многодоменные ферромагнетики

В них кривая намагничивания строится по подобному образу, но вот процессы протекают иные. При перемагничивании происходит смещение границ доменов. Следовательно, одной из причин возникновения гистерезиса может являться задержка смещений границ, а также необратимые скачки. Иногда (если у ферромагнетиков довольно большое поле) гистерезис магнитный определяется задержкой роста и образования зародышей перемагничивания. Именно из этих зародышей образуется доменная структура ферромагнитных веществ.

Гистерезисные потери

Во время динамического перемагничивания ферромагнетика переменным магнитным полем наблюдаются потери. Причем они составляют лишь малую долю от полных магнитных потерь. Если петли имеют одинаковую высоту (одинаковое максимальное значение намагниченности М), петля динамического вида оказывается шире статической. Происходит это вследствие того, что ко всем потерям добавляются новые. Это динамические потери, они обычно связаны с вихревым током, магнитной вязкостью. В сумме же получаются достаточно существенные потери на гистерезис.

Принцип работы

Самым простым и распространенным примером терморегулятора является устройство контроля температуры утюга. Он состоит из биметаллической подвижной контактной пластины и неподвижного контакта. Регулятор подключен в цепь питания через одну жилу. Работает элемент следующим образом:

1. В момент отсутствия высокой температуры контакт регулятора замкнут, осуществляет питание ТЭНа.
2. Биметаллическая пластина сжимается регулятором на определенную величину срабатывания. Давление на пластину снижает механическую упругость детали.
3. При достижении определенной температуры происходит температурное расширение структуры пластины, она разжимается и размыкает контакт.
4. После остывания пластина возвращается к своей естественной структуре и форме, смыкает контакт, осуществляя питание ТЭНа.

Иными словами, регулируется не температурный режим, а время реакции на повышение температуры за счет механического воздействия на контактную пластину.

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.

Определение

Прежде чем разобраться как работает терморегулятор, необходимо знать, что это такое гистерезис. Гистерезисом является физическое свойства вещества, материала или системы реагировать на раздражитель, возбудитель, давление с некоторым отставанием по времени. Реакция может сопровождаться частичным или полным восстановлением исходного состояния. При этом способность сопротивления на внешнее воздействие, дальнейшее восстановление зависят от свойств материала. Гистерезис любого терморегулятора — что это такое? Гистерезис терморегулятора — это разница температур между включением и отключением прибора.