De quoi dépend l'aire de la boucle d'hystérésis ? Qu'est-ce que l'hystérésis, quels sont les avantages et les inconvénients de ce phénomène ?

Hystérésis dans concept général(du grec - en retard) est une propriété de certains systèmes physiques, biologiques et autres qui répondent à des influences appropriées, en tenant compte état actuel, ainsi que l'arrière-plan.

L'hystérésis est caractéristique de ce qu'on appelle "saturation", et diverses trajectoires des graphiques correspondants marquant l'état du système dans ce moment temps. Ces dernières ont finalement la forme d'une boucle à angle aigu.

Si l'on considère spécifiquement l'électrotechnique, alors chaque noyau électromagnétique, après la fin de l'exposition au courant électrique, conserve son propre champ magnétique pendant un certain temps, appelé magnétisme résiduel.

Sa valeur dépend avant tout des propriétés du matériau : pour l'acier trempé, elle est nettement plus élevée que pour le fer doux.

Mais, dans tous les cas, le phénomène de magnétisme résiduel est toujours présent lorsque le noyau est remagnétisé, lorsqu'il faut le démagnétiser à zéro puis changer le pôle pour le pôle opposé.

Tout changement dans la direction du courant dans l'enroulement de l'électro-aimant implique (en raison de la présence des propriétés matérielles ci-dessus) une démagnétisation préalable du noyau. Ce n'est qu'après cela qu'il peut changer de polarité - c'est une loi bien connue de la physique.

Pour inverser la magnétisation dans le sens opposé, un flux magnétique approprié est nécessaire.

En d’autres termes : le changement fondamental ne « suit pas » les changements correspondants Flux magnétique, que le bobinage crée rapidement.

C'est ce retard dans la magnétisation du noyau dû aux changements des flux magnétiques qui est appelé hystérésis en génie électrique.

Chaque inversion de magnétisation du noyau consiste à éliminer le magnétisme résiduel par exposition à un flux magnétique contra-directionnel. En pratique, cela entraîne certaines pertes d'électricité, qui servent à surmonter la « mauvaise » orientation des aimants moléculaires.

Ces derniers se manifestent sous forme de dégagement de chaleur et représentent ce que l'on appelle les coûts d'hystérésis.

Ainsi, les noyaux en acier, par exemple les stators ou les induits de moteurs électriques ou de générateurs, devraient également avoir le niveau le plus bas possible. puissance de corrélation. Cela réduira les pertes par hystérésis, augmentant finalement l'efficacité de l'unité ou du dispositif électrique correspondant.

Le processus de magnétisation lui-même est déterminé par le graphique correspondant - ce qu'on appelle la boucle d'hystérésis. Il s'agit d'une courbe fermée montrant la dépendance de la vitesse de magnétisation aux changements dans la dynamique de tension. champ externe.

Grande place Les boucles impliquent donc des coûts élevés pour l'inversion de la magnétisation.

Aussi dans presque tous appareils électroniques Il existe également un phénomène tel que l'hystérésis thermique - non-retour après réchauffement de l'équipement à l'état original.

B et le phénomène d'hystérésis sont utilisés dans divers supports de stockage magnétiques (par exemple, les déclencheurs de Schmidt) ou dans des moteurs électriques à hystérésis spéciaux.

C'est répandu effet physiqueégalement présent dans divers dispositifs conçus pour supprimer divers bruits (rebond de contact, oscillations rapides, etc.) lors du processus de commutation des circuits logiques.

Considérons le processus de magnétisation alternée d'un matériau ferromagnétique. A cet effet, nous allons enrouler un bobinage sur un noyau en acier et le faire passer à travers D.C.. Supposons que le noyau de l'électro-aimant n'ait pas été magnétisé au préalable.

Augmentation du courant traversant les tours du bobinage jeà partir de zéro, nous augmenterons ainsi la force magnétisante et l'intensité du champ H. Valeur d'induction magnétique B dans le noyau augmentera également. Courbe de magnétisation 0a sur la figure 1 a une partie droite, puis, en raison de la saturation, la courbe monte lentement, se rapprochant de l'horizontale. Si maintenant, étant arrivé au point UN, réduire H, alors il diminuera et B. Cependant, la diminution B en diminuant H, c'est-à-dire pendant la démagnétisation, se produira avec un retard par rapport à la diminution H. Ordre de grandeur induction résiduelleà H= 0 est caractérisé par le segment 0b.

Pour que l'induction magnétique dans le noyau devienne égal à zéro, il faut magnétiser le matériau dans le sens opposé, c'est-à-dire le remagnétiser. A cet effet, le sens du courant dans le bobinage est inversé. Direction lignes magnétiques et l'intensité du champ magnétique change également. À l'intensité du champ H = 0v l'induction dans le noyau est nulle et le matériau du noyau est complètement démagnétisé. Valeur de l'intensité du champ H = 0và B= 0 est une certaine caractéristique du matériau et est appelée force retardatrice (coercitive).

En répétant le processus d'inversion de l'aimantation, on obtient une courbe fermée a b c d e f a, appelée boucle d'hystérésis ou boucle d'hystérésis magnétique. Hystérésis du grec signifie en retard, retardé. A partir de cette expérience, il est facile de vérifier que l'aimantation et la démagnétisation du noyau (apparition et disparition des pôles, induction magnétique ou flux magnétique) sont en retard sur le moment d'apparition et de disparition de la force magnétisante et démagnétisante (courant dans le enroulement d'électro-aimant). Le phénomène d’hystérésis peut être caractérisé en d’autres termes comme un décalage entre les modifications de l’induction magnétique et les modifications de l’intensité du champ. L'inversion de magnétisation d'un matériau implique la dépense d'une certaine quantité d'énergie, qui est libérée sous forme de chaleur qui chauffe le matériau.

L'hystérésis magnétique est particulièrement grave si le matériau du noyau présente un magnétisme résiduel élevé (par exemple, de l'acier dur). Le phénomène d'hystérésis est néfaste dans la plupart des cas. Cela provoque des pertes d'hystérésis exprimées en échauffement du noyau et en consommation d'énergie inutile de la source de tension, et s'accompagne également d'un bourdonnement du noyau dû aux changements de polarité et aux rotations. particules élémentaires matériau de base.

La première étude sérieuse des processus de magnétisation de l’acier a été réalisée par Alexander Grigorievich Stoletov (1839 – 1896) en 1872 et publiée dans l’ouvrage « Sur la fonction de magnétisation du fer doux ».

A.G. Stoletov, en outre, a exploré et expliqué la nature effet photoélectrique externe et fabriqué la première photocellule.

Vidéo 1. Hystérésis

L'hystérésis (du grec hystérésis - décalage) est un phénomène physique dans lequel il y a un retard dans le changement de l'état du système à partir d'un changement de la grandeur physique qui détermine les conditions externes.
Par exemple, le retard d'un changement dans la magnétisation d'un ferromagnétique dû à un changement dans l'intensité du champ magnétique ; retard du changement de polarisation du ferroélectrique à partir du changement du champ électrique.
Observé dans les cas où l'état du système est déterminé conditions extérieures non seulement à un moment donné, mais aussi à des moments antérieurs. L'hystérésis est observée dans diverses branches de la physique. Le plus important: hystérésis magnétique, hystérésis ferroélectrique et hystérésis élastique.

L'essence Ce phénomène peut être expliqué à l’aide de l’exemple d’un thermostat.
Considérons un thermostat réglé pour maintenir une température de 20°C à l'aide d'un radiateur électrique. Si la plaque bimétallique qui contrôle le radiateur, qui se déforme lorsque la température change, n'avait pas d'hystérésis, le radiateur s'allumerait et s'éteindrait très souvent, ce qui entraînerait une usure rapide des contacts. En réalité, le régulateur s'allume à 19 °C et s'éteint à environ 21 °C. Dans ce cas, l'inertie mécanique de la plaque bimétallique et l'inertie thermique du radiateur donnent lieu au phénomène d'hystérésis, la commutation de mode se produit à basse fréquence et la température dans le thermostat fluctue dans une certaine plage proche valeur définie (riz. 1).

Image 1

L'hystérésis est caractérisée par le phénomène de « saturation », ainsi que par la dissimilarité des trajectoires entre états extrêmes, d'où la présence d'une boucle à angle aigu dans les graphiques, appelée boucle d'hystérésis. La dépendance ambiguë de l'état du système à une grandeur physique (avec changement cyclique) est représentée par une boucle d'hystérésis ( riz. 2)

Figure 2

En électronique et en électrotechnique, on utilise des appareils dotés d'une hystérésis magnétique - divers supports de stockage magnétiques ou d'une hystérésis électrique, par exemple un déclencheur de Schmitt ou un moteur à hystérésis. L'hystérésis est utilisée pour supprimer le bruit (oscillations rapides, rebondissements de contact) lors de la commutation des signaux logiques. Par exemple, un déclencheur de Schmitt ( riz. 3).

Figure 3. La boucle d'hystérésis du déclencheur de Schmitt est rectangulaire.
Dans les appareils électroniques de tous types, on observe le phénomène d'hystérésis thermique : après chauffage de l'appareil et refroidissement ultérieur à la température initiale, ses paramètres ne reviennent pas à Valeurs initiales. En raison des différents dilatation thermique Dans les cristaux semi-conducteurs, les supports de cristaux, les boîtiers de microcircuits et les cartes de circuits imprimés, des contraintes mécaniques apparaissent dans les cristaux, qui persistent même après refroidissement. Le phénomène d'hystérésis thermique est particulièrement visible dans les références de tension de précision utilisées dans les convertisseurs analogique-numérique de mesure. Dans les microcircuits modernes, le décalage relatif de la tension de référence dû à l'hystérésis thermique est de l'ordre de 10 à 100

L'hystérésis est un concept complexe de processus se produisant dans des systèmes et des substances capables d'accumuler diverses énergies, tandis que le taux et l'intensité de son augmentation diffèrent de la courbe de sa diminution lorsque l'impact est supprimé. Traduit de langue grecque Le concept d'hystérésis est traduit par décalage, il doit donc être compris comme un retard d'un processus par rapport à un autre. Dans ce cas, il n'est pas du tout nécessaire que l'effet d'hystérésis soit caractéristique uniquement des supports magnétiques.

Cette propriété se manifeste dans de nombreux autres systèmes et environnements :

• hydraulique;
• cinématique;
• électronique;
• la biologie;
• économie.

Le concept est particulièrement souvent utilisé lors de la régulation des conditions de température dans les systèmes de chauffage.

Caractéristiques du phénomène physique

Nous nous concentrerons sur hystérésis en technologie électronique associés aux processus magnétiques dans diverses substances. Il montre comment tel ou tel matériau se comporte dans un champ électromagnétique, ce qui permet ainsi de construire des graphiques de dépendance et de faire quelques relevés des environnements dans lesquels se trouvent ces mêmes matériaux. Par exemple, cet effet est utilisé dans le fonctionnement d'un thermostat.

En considérant plus en détail le concept d'hystérésis et l'effet qui lui est associé, on peut remarquer une telle caractéristique. Une substance présentant cette caractéristique est capable de devenir saturée. C'est-à-dire qu'il s'agit d'un état dans lequel il n'est plus capable d'accumuler de l'énergie en lui-même. Et lorsque l'on considère le processus en utilisant l'exemple des matériaux ferromagnétiques, l'énergie est exprimée par la magnétisation, qui résulte de la connexion magnétique existante entre les molécules de la substance. Et ils créent des moments magnétiques - des dipôles qui, à l'état normal, sont dirigés de manière chaotique.

Magnétisation dans dans ce cas – c'est l'adoption par les moments magnétiques d'une certaine direction. S'ils sont dirigés de manière chaotique, alors le ferromagnétique est considéré comme démagnétisé. Mais lorsque les dipôles sont dirigés dans une direction, le matériau est magnétisé. Par le degré de magnétisation du noyau de la bobine, on peut juger de l'ampleur du champ magnétique créé par le courant qui le traverse.

Processus physique pendant l'hystérésis

Comprendre le processus d'hystérésis en détail, vous devez étudier en profondeur les concepts suivants :

Quant aux matériaux dans lesquels l'effet d'hystérésis est le mieux observé, ce sont les ferromagnétiques. C'est un mélange éléments chimiques, qui est capable de magnétiser en raison de la directivité dipôles magnétiques, C'est pourquoi Habituellement, la composition contient des métaux tels que :

• fer;
• cobalt;
• nickel;
• composés basés sur eux.

Pour voir l'hystérésis, une tension alternative doit être appliquée à la bobine à noyau ferromagnétique. Dans le même temps, le graphique de magnétisation ne dépendra pas beaucoup de son ampleur, car l'effet dépend directement des propriétés du matériau lui-même et de l'ampleur de la connexion magnétique entre les éléments de la substance.

Le point fondamental lorsqu’on considère le concept d’hystérésis en électronique est précisément l’induction magnétique B créée autour de la bobine lorsqu’une tension est appliquée. Il est déterminé par formule standard, en tant que produit de la force magnétique constante diélectrique substances à la somme de l’intensité du champ et de la magnétisation.

Comprendre principe général effet d'hystérésis , vous devez utiliser le planning. Il montre une boucle de magnétisation issue d’un état de démagnétisation complète. La zone peut être désignée par les chiffres 0-1. Avec une tension et une durée d'exposition au champ magnétique suffisantes sur le matériau, le graphique atteint son point extrême le long de la trajectoire indiquée. Le processus s'effectue non pas en ligne droite, mais le long d'une courbe avec une certaine courbure, qui caractérise les propriétés du matériau. Plus dans une substance connexions magnétiques entre les molécules, plus vite elle atteint la saturation.

Après avoir retiré la tension de la bobine, l’intensité du champ magnétique tombe à zéro. Il s'agit de la zone du graphique 1-2. Dans ce cas, le matériau, en raison de la directionnalité moments magnétiques reste aimanté. Mais l'amplitude de magnétisation est légèrement inférieure à celle à saturation. Si un tel effet est observé dans une substance, il appartient alors aux ferromagnétiques, capables d'accumuler un champ magnétique en raison de fortes liaisons magnétiques entre les molécules de la substance.

Avec un changement dans la polarité de la tension fournie à la bobine, le processus de démagnétisation se poursuit selon la même courbe jusqu'à saturation. Ce n'est que dans ce cas que les moments magnétiques des dipôles seront dirigés vers verso. Avec la fréquence du réseau, le processus sera répété périodiquement, décrivant un graphique appelé boucle d'hystérésis magnétique.

Lorsqu'un ferromagnétique est magnétisé de manière répétée à une intensité moindre que lorsqu'il est saturé, une famille de courbes peut être obtenue à partir de laquelle un graphique général peut être construit qui caractérise l'état de la substance de complètement démagnétisé à complètement magnétisé.

L'hystérésis est concept complexe , caractérisant la capacité d'une substance à accumuler l'énergie d'un champ magnétique ou d'une autre quantité en raison des liaisons magnétiques existantes entre les molécules de la substance ou des caractéristiques de fonctionnement du système. Mais les alliages de fer, de cobalt et de nickel ne sont pas les seuls à pouvoir avoir cet effet. Le titanate de baryum donnera un résultat légèrement différent s'il est placé dans un champ avec une certaine intensité.

Puisqu'il s'agit d'un ferroélectrique, une hystérésis diélectrique y est observée. Une boucle d'hystérésis inverse se forme lorsque la tension appliquée au milieu est de polarité opposée, et l'amplitude du champ opposé agissant sur le matériau est appelée force coercitive.

Dans ce cas, l'intensité du champ peut précéder différentes intensités, ce qui est associé aux particularités de l'état réel des dipôles - moments magnétiques après la magnétisation précédente. Diverses impuretés affectent également le processus contenues dans le matériel. Plus il y en a, plus il est difficile de déplacer les parois des dipôles, de sorte que la magnétisation dite résiduelle demeure.

Qu'est-ce qui affecte la boucle d'hystérésis ?

Il semblerait que, l'hystérésis est plus effet interne , qui n'est pas visible à la surface du matériau, mais cela dépend fortement non seulement du type de matériau lui-même, mais également de la qualité et du type de son traitement mécanique. Par exemple, le fer entre en saturation à une tension égale à 1 Oe, et l'alliage magnétique atteint sa point critique seulement à 580 e. Plus il y a de défauts à la surface d’un matériau, plus l’intensité du champ magnétique nécessaire pour l’amener à saturation est importante.

En raison de la magnétisation et de la démagnétisation, le matériau libère l'énérgie thermique, qui est égale à l'aire de la boucle d'hystérésis. De plus, les pertes dans un ferromagnétique incluent l'action courants de Foucault et la viscosité magnétique de la substance. Ceci est généralement observé lorsque la fréquence du champ magnétique augmente.

Selon la nature du comportement du ferromagnétique dans un environnement avec champ magnétique, distinguer statique et hystérésis dynamique . Le premier est observé à la fréquence de tension nominale, mais à mesure qu'il augmente, la surface du graphique augmente, ce qui entraîne également une augmentation des pertes.

Autres propriétés

En plus de l'hystérésis magnétique, il existe également effets galvomagnétiques et magnétostrictifs. Il y a un changement dans ces processus résistance électrique en raison de la déformation mécanique du matériau. Les ferroélectriques sous l'influence des forces de déformation sont capables de produire électricité, ce qui s'explique par l'hystérésis piézoélectrique. Il existe également le concept d'hystérésis électro-optique et double diélectrique. Dernier processus est généralement le plus intéressant, puisqu'il s'accompagne d'un double graphe dans les zones proches des points de saturation.

La définition de l’hystérésis ne s’applique pas uniquement aux ferromagnétiques utilisés en électronique. Ce processus peut également se produire en thermodynamique. Par exemple, lors de l'organisation du chauffage à partir d'une chaudière à gaz ou électrique. L'élément de régulation du système est le thermostat. Mais la seule variable contrôlée est la température de l’eau dans le système.

Lorsqu'elle atteint un niveau prédéterminé, la chaudière s'allume et commence à chauffer à valeur donnée. Ensuite, il s'éteint et le processus se répète dans un cycle. Si vous prenez des lectures de température lors du chauffage et du refroidissement du système à chaque cycle d'allumage et d'extinction du chauffage, vous obtiendrez un graphique sous la forme d'une boucle d'hystérésis, appelée hystérésis de la chaudière.

Dans de tels systèmes l'hystérésis est exprimée en température. Par exemple, s'il fait 4°C et que la température du liquide de refroidissement est réglée à 18°C, la chaudière s'éteindra lorsqu'elle atteindra 22°C. Ainsi, vous pouvez personnaliser n'importe quel acceptable régime de températureà l'intérieur. Un thermostat est en fait un capteur de température ou un thermostat qui allume ou éteint le chauffage lorsque les seuils inférieur et supérieur sont respectivement atteints.

Hystérèse par définition, c'est une propriété des systèmes qui ne suivent pas immédiatement les forces appliquées. La réaction de ces systèmes dépend des forces qui ont agi précédemment, c’est-à-dire que les systèmes dépendent de leur propre histoire.

Qu’est-ce que « l’hystérésis technique » ? Contrairement à l'hystérésis classique, « l'hystérésis technique » n'est pas causée par des phénomènes résiduels dans le système lors du changement de direction du processus, mais changement brusque propriétés du système aux points de début et de fin du processus (par exemple, lorsque l'automatisation est déclenchée, changement de commutation/géométrie/logique, etc. au sein du système).

Illustrons la différence. Les figures 2 et 3 montrent les courbes d'hystérésis complètes pour l'hystérésis classique et technique. Lors du passage du point 0 au point 1, il n'y a aucune différence. Mais!

Considérons la question de savoir comment se comporte un système qui a une hystérésis dans certaines propriétés (caractéristiques) si le processus de passage du point de départ du processus au point final est interrompu quelque part au milieu.

Note! Dans l'hystérésis classique, un changement de direction du processus forme une nouvelle boucle d'hystérésis. En "hystérésis technique" lorsqu'on n'atteint pas points extrêmes processus, rien de tel ne se produit. Où cela mène-t-il ?