¿De qué depende el área del bucle de histéresis? ¿Qué es la histéresis, cuáles son los beneficios y daños de este fenómeno?

Histéresis en concepto general(del griego - quedarse atrás) es una propiedad de ciertos sistemas físicos, biológicos y otros que responden a las influencias apropiadas, teniendo en cuenta estado actual, así como antecedentes.

La histéresis es característica de los llamados “saturación”, y varias trayectorias de los gráficos correspondientes que marcan el estado del sistema en este momento tiempo. Estos últimos tienen finalmente la forma de un bucle de ángulo agudo.

Si consideramos específicamente la ingeniería eléctrica, entonces cada núcleo electromagnético, una vez finalizada la exposición a la corriente eléctrica, conserva su propio campo magnético durante algún tiempo, llamado magnetismo residual.

Su valor depende, en primer lugar, de las propiedades del material: para el acero templado es significativamente mayor que para el hierro dulce.

Pero, en cualquier caso, el fenómeno del magnetismo residual siempre está presente cuando se remagnetiza el núcleo, cuando es necesario desmagnetizarlo a cero y luego cambiar el polo al opuesto.

Cualquier cambio en la dirección de la corriente en el devanado del electroimán implica (debido a la presencia de las propiedades del material anteriores) una desmagnetización preliminar del núcleo. Sólo después de esto puede cambiar su polaridad; ésta es una ley de la física bien conocida.

Para invertir la magnetización en la dirección opuesta se necesita un flujo magnético adecuado.

En otras palabras: el cambio central no “se mantiene al día” con los cambios correspondientes. flujo magnético, que el devanado crea rápidamente.

Es este retraso en la magnetización del núcleo debido a cambios en los flujos magnéticos lo que se denomina histéresis en ingeniería eléctrica.

Cada inversión de magnetización del núcleo implica deshacerse del magnetismo residual mediante la exposición a un flujo magnético contradireccional. En la práctica, esto conduce a ciertas pérdidas de electricidad, que se gastan en superar la orientación "incorrecta" de los imanes moleculares.

Estos últimos se manifiestan en forma de liberación de calor y representan los llamados costes de histéresis.

Así, los núcleos de acero, por ejemplo, estatores o armaduras de motores o generadores eléctricos, deben tener el menor valor posible. poder de correlación. Esto reducirá las pérdidas por histéresis y, en última instancia, aumentará la eficiencia de la unidad o dispositivo eléctrico correspondiente.

El proceso de magnetización en sí está determinado por el gráfico correspondiente: el llamado bucle de histéresis. Representa una curva cerrada que muestra la dependencia de la velocidad de magnetización de los cambios en la dinámica de la tensión. campo externo.

Gran cuadrado Los bucles implican, en consecuencia, altos costos para la inversión de la magnetización.

También en casi todos dispositivos electrónicos También existe un fenómeno como la histéresis térmica: no retorno después de calentar el equipo a estado original.

B y el fenómeno de la histéresis se utiliza en diversos medios de almacenamiento magnéticos (por ejemplo, disparadores Schmidt) o en motores eléctricos de histéresis especiales.

esto esta muy extendido efecto fisico También se encuentra en varios dispositivos diseñados para suprimir diversos ruidos (rebote de contactos, oscilaciones rápidas, etc.) durante el proceso de conmutación de circuitos lógicos.

Consideremos el proceso de magnetización alterna de un material ferromagnético. Para ello enrollaremos un devanado sobre un núcleo de acero y lo pasaremos a través CORRIENTE CONTINUA.. Supongamos que el núcleo del electroimán no ha sido magnetizado previamente.

Aumentar la corriente que pasa por las vueltas del devanado. I desde cero, aumentaremos así la fuerza magnetizante y la intensidad del campo h. Valor de inducción magnética B en el núcleo también aumentará. Curva de magnetización 0a en la Figura 1 tiene una parte recta, y luego, debido a la saturación, la curva asciende lentamente, acercándose a la horizontal. Si ahora, habiendo llegado al punto A, reducir h, entonces disminuirá y B. Sin embargo, la disminución B al disminuir h, es decir, durante la desmagnetización, ocurrirá con un retraso relativo a la disminución h. Magnitud inducción residual en h= 0 se caracteriza por el segmento 0b.

Para que la inducción magnética en el núcleo se convierta en igual a cero, es necesario magnetizar el material en dirección opuesta, es decir, remagnetizarlo. Para ello se invierte el sentido de la corriente en el devanado. Dirección líneas magnéticas y la intensidad del campo magnético también cambia. En intensidad de campo h = 0V la inducción en el núcleo es cero y el material del núcleo está completamente desmagnetizado. Valor de intensidad de campo h = 0V en B= 0 es una determinada característica del material y se denomina fuerza retardante (coercitiva).

Repitiendo el proceso de inversión de la magnetización, obtenemos una curva cerrada a b c d e f a, que se denomina bucle de histéresis o bucle de histéresis magnética. Histéresis del griego significa retrasado, retrasado. A partir de este experimento, es fácil comprobar que la magnetización y desmagnetización del núcleo (aparición y desaparición de polos, inducción magnética o flujo magnético) va por detrás del momento de aparición y desaparición de la fuerza magnetizante y desmagnetizante (corriente en el bobinado del electroimán). En otras palabras, el fenómeno de la histéresis se puede caracterizar como un desfase entre los cambios en la inducción magnética y los cambios en la intensidad del campo. La inversión de la magnetización de un material implica el gasto de una determinada cantidad de energía, que se libera en forma de calor que calienta el material.

La histéresis magnética es especialmente grave si el material del núcleo tiene un alto magnetismo residual (por ejemplo, acero duro). El fenómeno de la histéresis es perjudicial en la mayoría de los casos. Provoca pérdidas por histéresis expresadas en calentamiento del núcleo y consumo innecesario de energía de la fuente de voltaje, y también va acompañado de zumbidos en el núcleo debido a cambios de polaridad y rotaciones. partículas elementales material del núcleo.

El primer estudio serio de los procesos de magnetización del acero fue realizado por Alexander Grigorievich Stoletov (1839 – 1896) en 1872 y publicado en la obra “Sobre la función de magnetización del hierro dulce”.

A.G. Stoletov, además, exploró y explicó la naturaleza. efecto fotoeléctrico externo e hice la primera fotocélula.

Vídeo 1. Histéresis

La histéresis (del griego histéresis - retraso) es un fenómeno físico en el que hay un retraso en el cambio de estado del sistema a partir de un cambio en la cantidad física que determina las condiciones externas.
Por ejemplo, el retraso de un cambio en la magnetización de un ferroimán debido a un cambio en la intensidad del campo magnético; retraso del cambio en la polarización del ferroeléctrico debido al cambio en el campo eléctrico.
Observado en los casos en que se determina el estado del sistema. Condiciones externas no sólo en un momento dado, sino también en momentos anteriores. La histéresis se observa en varias ramas de la física. El más importante: histéresis magnética, histéresis ferroeléctrica e histéresis elástica.

La esencia este fenómeno se puede explicar usando el ejemplo de un termostato.
Considere un termostato configurado para mantener una temperatura de 20°C usando un calentador eléctrico. Si la placa bimetálica que controla el calentador, que se deforma cuando cambia la temperatura, no tuviera histéresis, el calentador se encendería y apagaría con mucha frecuencia, lo que provocaría un rápido desgaste de los contactos. En realidad, el regulador se enciende a 19 °C y se apaga aproximadamente a 21 °C. En este caso, la inercia mecánica de la placa bimetálica y la inercia térmica del calentador dan lugar al fenómeno de histéresis, el cambio de modo se produce con una frecuencia baja y la temperatura en el termostato fluctúa en un cierto rango cerca de valor ajustado (arroz. 1).

Foto 1

La histéresis se caracteriza por el fenómeno de la “saturación”, así como por la disimilitud de trayectorias entre estados extremos, de ahí la presencia en los gráficos de un bucle de ángulo agudo, llamado bucle de histéresis. La dependencia ambigua del estado del sistema de una cantidad física (con cambio cíclico) se representa mediante un bucle de histéresis ( arroz. 2)

Figura 2

En electrónica y electrotecnia se utilizan dispositivos que tienen histéresis magnética (varios medios de almacenamiento magnéticos) o histéresis eléctrica, por ejemplo, un disparador Schmitt o un motor de histéresis. La histéresis se utiliza para suprimir el ruido (oscilaciones rápidas, rebotes de contactos) al conmutar señales lógicas. Por ejemplo, un disparador Schmitt ( arroz. 3).

Figura 3. El bucle de histéresis del disparador Schmitt es rectangular.
En dispositivos electrónicos de todo tipo se observa el fenómeno de histéresis térmica: después de calentar el dispositivo y su posterior enfriamiento a la temperatura inicial, sus parámetros no vuelven a valores iniciales. Debido a las diferentes expansión térmica En los cristales semiconductores, soportes de cristales, paquetes de microcircuitos y placas de circuitos impresos, en los cristales se generan tensiones mecánicas que persisten incluso después del enfriamiento. El fenómeno de la histéresis térmica es más notable en las referencias de voltaje de precisión utilizadas en los convertidores de medición analógico a digital. En los microcircuitos modernos, el cambio relativo del voltaje de referencia debido a la histéresis térmica es del orden de 10-100

La histéresis es un concepto complejo de procesos que ocurren en sistemas y sustancias que son capaces de acumular diversas energías, mientras que la tasa e intensidad de su aumento difiere de la curva de su disminución cuando se elimina el impacto. Traducido de lengua griega El concepto de histéresis se traduce como retraso, por lo que debe entenderse como un retraso de un proceso con respecto a otro. En este caso, no es en absoluto necesario que el efecto de histéresis sea característico únicamente de los medios magnéticos.

Esta propiedad se manifiesta en muchos otros sistemas y entornos:

• hidráulica;
• cinemática;
• electrónica;
• biología;
• economía.

El concepto se utiliza especialmente para regular las condiciones de temperatura en sistemas de calefacción.

Características del fenómeno físico.

Nos centraremos en histéresis en tecnología electrónica asociado con procesos magnéticos en varias sustancias. Muestra cómo se comporta tal o cual material en un campo electromagnético, lo que permite construir gráficos de dependencia y tomar algunas lecturas de los entornos en los que se encuentran esos mismos materiales. Por ejemplo, este efecto se utiliza en el funcionamiento de un termostato.

Si examinamos con más detalle el concepto de histéresis y el efecto asociado a él, podemos notar esta característica. Una sustancia con esta característica es capaz de saturarse. Es decir, este es un estado en el que ya no es capaz de acumular energía por sí mismo. Y si tomamos como ejemplo el proceso con materiales ferromagnéticos, la energía se expresa mediante la magnetización, que surge debido a la conexión magnética existente entre las moléculas de la sustancia. Y crean momentos magnéticos: dipolos, que en estado normal se dirigen caóticamente.

Magnetización en en este caso – es la adopción por parte de los momentos magnéticos de una determinada dirección. Si se dirigen caóticamente, entonces el ferroimán se considera desmagnetizado. Pero cuando los dipolos se dirigen en una dirección, el material se magnetiza. Por el grado de magnetización del núcleo de la bobina, se puede juzgar la magnitud del campo magnético creado por la corriente que fluye a través de él.

Proceso físico durante la histéresis.

Para entender el proceso de histéresis en detalle., es necesario estudiar a fondo los siguientes conceptos:

En cuanto a los materiales en los que mejor se observa el efecto de histéresis, son los ferromagnetos. es una mezcla elementos químicos, que es capaz de magnetizar debido a la direccionalidad dipolos magnéticos, Es por eso Normalmente la composición contiene metales como:

• hierro;
• cobalto;
• níquel;
• compuestos basados ​​en ellos.

Para ver la histéresis, se debe aplicar una tensión alterna a la bobina con núcleo ferromagnético. Al mismo tiempo, la curva de magnetización no dependerá en gran medida de su magnitud, porque el efecto depende directamente de las propiedades del propio material y de la magnitud de la conexión magnética entre los elementos de la sustancia.

El punto fundamental al considerar el concepto de histéresis en electrónica es precisamente la inducción magnética B que se crea alrededor de la bobina cuando se aplica voltaje. Está determinado por fórmula estándar, como el producto de magnético constante dieléctrica sustancias a la suma de la intensidad del campo y la magnetización.

Comprender principio general efecto de histéresis , necesitas usar el horario. Muestra un bucle de magnetización a partir de un estado de desmagnetización completa. El área se puede designar con los números 0-1. Con un voltaje suficiente y una duración de exposición al campo magnético del material, el gráfico alcanza su punto extremo a lo largo de la trayectoria indicada. El proceso no se lleva a cabo en línea recta, sino a lo largo de una curva con una cierta curvatura, que caracteriza las propiedades del material. Cuanto más en una sustancia conexiones magnéticas entre moléculas, más rápido alcanza la saturación.

Después de eliminar el voltaje de la bobina, la intensidad del campo magnético cae a cero. Esta es el área en el gráfico 1-2. En este caso, el material, debido a la direccionalidad momentos magnéticos permanece magnetizado. Pero la magnitud de la magnetización es ligeramente menor que en la saturación. Si tal efecto se observa en una sustancia, entonces pertenece a los ferromagnetos, capaces de acumular un campo magnético debido a fuertes enlaces magnéticos entre las moléculas de la sustancia.

Con un cambio en la polaridad del voltaje suministrado a la bobina, el proceso de desmagnetización continúa siguiendo la misma curva. hasta la saturación. Sólo en este caso los momentos magnéticos de los dipolos se dirigirán en reverso. Con la frecuencia de la red, el proceso se repetirá periódicamente, describiendo una gráfica denominada bucle de histéresis magnética.

Cuando un ferroimán se magnetiza repetidamente a una intensidad menor que cuando está saturado, se puede obtener una familia de curvas a partir de las cuales se puede construir un gráfico general que caracteriza el estado de la sustancia desde completamente desmagnetizada hasta completamente magnetizada.

La histéresis es concepto complejo , que caracteriza la capacidad de una sustancia para acumular la energía de un campo magnético u otra cantidad debido a los enlaces magnéticos existentes entre las moléculas de la sustancia o las características operativas del sistema. Pero no sólo las aleaciones de hierro, cobalto y níquel pueden tener este efecto. El titanato de bario dará un resultado ligeramente diferente si se coloca en un campo con cierta intensidad.

Al ser ferroeléctrico, en él se observa histéresis dieléctrica. Un bucle de histéresis inversa se forma cuando el voltaje aplicado al medio es de polaridad opuesta y la magnitud del campo opuesto que actúa sobre el material se denomina fuerza coercitiva.

En este caso, la intensidad del campo puede preceder a diferentes intensidades, lo que está asociado con las peculiaridades del estado real de los dipolos: momentos magnéticos después de la magnetización anterior. Varias impurezas también afectan el proceso. contenida en el material. Cuantos más, más difícil es mover las paredes de los dipolos, por lo que permanece la llamada magnetización residual.

¿Qué afecta el bucle de histéresis?

Parecería que, la histéresis es más efecto interno , que no es visible en la superficie del material, pero depende en gran medida no solo del tipo de material en sí, sino también de la calidad y el tipo de procesamiento mecánico. Por ejemplo, el hierro se satura a un voltaje igual a 1 Oe y la aleación magnética alcanza su punto crítico sólo a 580e. Cuantos más defectos haya en la superficie de un material, mayor será la intensidad del campo magnético necesaria para llevarlo a la saturación.

Como resultado de la magnetización y desmagnetización, el material libera energía térmica, que es igual al área del bucle de histéresis. Además, las pérdidas en un ferromagneto incluyen la acción. corrientes parásitas y viscosidad magnética de la sustancia. Esto suele observarse cuando la frecuencia del campo magnético aumenta.

Dependiendo de la naturaleza del comportamiento del ferroimán en un entorno con campo magnético, distinguir estática y histéresis dinámica . El primero se observa a la frecuencia de tensión nominal, pero a medida que aumenta, aumenta el área del gráfico, lo que también conduce a un aumento de las pérdidas.

Otras propiedades

Además de la histéresis magnética, también existen efectos galvomagnéticos y magnetoestrictivos. Hay un cambio en estos procesos. resistencia eléctrica debido a la deformación mecánica del material. Los ferroeléctricos bajo la influencia de fuerzas de deformación son capaces de producir electricidad, que se explica por la histéresis piezoeléctrica. También existe el concepto de histéresis electroóptica y doble dieléctrica. Último proceso Suele ser el de mayor interés, ya que va acompañado de un doble gráfico en las zonas cercanas a los puntos de saturación.

La definición de histéresis se aplica no sólo a los ferroimanes utilizados en electrónica. Este proceso también puede ocurrir en termodinámica. Por ejemplo, al organizar la calefacción con una caldera de gas o eléctrica. El componente regulador del sistema es el termostato. Pero la única variable controlada es la temperatura del agua en el sistema.

Cuando baja a un nivel predeterminado, la caldera se enciende, comenzando a calentar a valor dado. Luego se apaga y el proceso se repite en un ciclo. Si toma lecturas de temperatura al calentar y enfriar el sistema en cada ciclo de encendido y apagado de la calefacción, obtendrá un gráfico en forma de bucle de histéresis, que se llama histéresis de la caldera.

En tales sistemas la histéresis se expresa en temperatura. Por ejemplo, si es 4°C y la temperatura del refrigerante está configurada en 18°C, la caldera se apagará cuando alcance los 22°C. Por lo tanto, puede personalizar cualquier aceptable régimen de temperatura adentro. Un termostato es, de hecho, un sensor de temperatura o termostato que enciende o apaga la calefacción cuando se alcanzan los umbrales inferior y superior, respectivamente.

Histéresis por definición, es una propiedad de los sistemas que no siguen inmediatamente a las fuerzas aplicadas. La reacción de estos sistemas depende de las fuerzas que actuaron anteriormente, es decir, los sistemas dependen de su propia historia.

¿Qué es la "histéresis de ingeniería"? A diferencia de la histéresis clásica, la "histéresis de ingeniería" no es causada por fenómenos residuales en el sistema al cambiar la dirección del proceso, sino cambio abrupto propiedades del sistema en los puntos de inicio y final del proceso (por ejemplo, cuando se activa la automatización, cambio de conmutación/geometría/lógica, etc. dentro del sistema).

Ilustremos la diferencia. Las figuras 2 y 3 muestran las curvas de histéresis completas para histéresis clásica y de ingeniería. Al pasar del punto 0 al punto 1 no hay diferencias. ¡Pero!

Consideremos la cuestión de cómo se comporta un sistema que tiene histéresis en algunas propiedades (características), si el proceso de movimiento desde el punto inicial del proceso hasta el punto final se interrumpe en algún punto intermedio.

¡Nota! En la histéresis clásica, un cambio en la dirección del proceso forma un nuevo bucle de histéresis. En "histéresis de ingeniería" cuando no se logra puntos extremos proceso, nada de eso sucede. ¿Adónde lleva?