Area loop histeresis bergantung pada apa? Apa itu histeresis, apa manfaat dan kerugian dari fenomena ini?

Histeresis di konsep umum(dari bahasa Yunani - tertinggal) adalah properti dari sistem fisik, biologis, dan sistem lain tertentu yang merespons pengaruh yang sesuai, dengan mempertimbangkan keadaan saat ini, serta latar belakang.

Histeresis adalah karakteristik dari apa yang disebut “saturasi”, dan berbagai lintasan grafik terkait yang menandai keadaan sistem di saat ini waktu. Yang terakhir pada akhirnya memiliki bentuk lingkaran bersudut lancip.

Jika kita mempertimbangkan teknik kelistrikan secara khusus, maka setiap inti elektromagnetik, setelah paparan arus listrik berakhir, mempertahankan medan magnetnya sendiri selama beberapa waktu, yang disebut magnet sisa.

Nilainya tergantung, pertama-tama, pada sifat material: untuk baja yang dikeraskan nilainya jauh lebih tinggi daripada untuk besi lunak.

Namun, bagaimanapun juga, fenomena sisa magnetisme selalu muncul ketika inti dimagnetisasi ulang, ketika inti perlu didemagnetisasi ke nol dan kemudian kutubnya diubah ke kebalikannya.

Setiap perubahan arah arus pada belitan elektromagnet melibatkan (karena adanya sifat material di atas) demagnetisasi awal inti. Hanya setelah itu ia dapat mengubah polaritasnya - ini adalah hukum fisika yang terkenal.

Untuk pembalikan magnetisasi ke arah yang berlawanan, diperlukan fluks magnet yang sesuai.

Dengan kata lain: perubahan inti tidak “mengikuti” perubahan yang terkait fluks magnet, yang diciptakan oleh belitan dengan cepat.

Penundaan waktu magnetisasi inti akibat perubahan fluks magnet inilah yang disebut histeresis dalam teknik kelistrikan.

Setiap pembalikan magnetisasi inti melibatkan pembuangan sisa magnet dengan paparan fluks magnet berlawanan arah. Dalam praktiknya, hal ini menyebabkan hilangnya listrik tertentu, yang digunakan untuk mengatasi orientasi magnet molekul yang “salah”.

Yang terakhir ini memanifestasikan dirinya dalam bentuk pelepasan panas dan mewakili apa yang disebut biaya histeresis.

Jadi, inti baja, misalnya, stator atau jangkar motor listrik atau generator, juga harus memiliki sifat serendah mungkin. kekuatan korelasi. Hal ini akan mengurangi kerugian histeresis, yang pada akhirnya meningkatkan efisiensi unit atau perangkat listrik terkait.

Proses magnetisasi itu sendiri ditentukan oleh grafik yang sesuai - yang disebut loop histeresis. Ini mewakili kurva tertutup yang menunjukkan ketergantungan kecepatan magnetisasi pada perubahan dinamika tegangan bidang luar.

Daerah yang luas Oleh karena itu, loop menyiratkan biaya tinggi untuk pembalikan magnetisasi.

Juga di hampir semua hal perangkat elektronik Ada juga fenomena seperti histeresis termal - tidak kembalinya peralatan setelah pemanasan keadaan asli.

B dan fenomena histeresis digunakan di berbagai media penyimpanan magnetik (misalnya pemicu Schmidt), atau pada motor listrik histeresis khusus.

Hal ini tersebar luas efek fisik juga ditemukan di berbagai perangkat yang dirancang untuk menekan berbagai kebisingan (pantulan kontak, osilasi cepat, dll.) selama proses peralihan rangkaian logika.

Mari kita perhatikan proses magnetisasi bolak-balik dari bahan feromagnetik. Untuk tujuan ini, kita akan melilitkan belitan pada inti baja dan melewatkannya D.C.. Mari kita asumsikan bahwa inti elektromagnet belum pernah termagnetisasi sebelumnya.

Meningkatkan arus yang melewati belitan belitan SAYA dari nol, dengan demikian kita akan meningkatkan gaya magnetisasi dan kekuatan medan H. Nilai induksi magnetik B di inti juga akan meningkat. Kurva magnetisasi 0a pada Gambar 1 memiliki bagian yang lurus, kemudian karena jenuh, kurva tersebut naik perlahan mendekati horizontal. Jika sekarang, sudah sampai pada intinya A, mengurangi H, maka akan berkurang dan B. Namun penurunannya B ketika menurun H, yaitu, selama demagnetisasi, akan terjadi penundaan relatif terhadap penurunan H. Besarnya sisa induksi pada H= 0 dicirikan oleh segmen 0b.

Agar induksi magnet pada inti menjadi sama dengan nol, bahan tersebut perlu dimagnetisasi ke arah yang berlawanan, yaitu dimagnetisasi ulang. Untuk tujuan ini, arah arus pada belitan dibalik. Arah garis magnet dan kekuatan medan magnet juga berubah. Pada kekuatan lapangan H = 0v induksi pada inti adalah nol dan bahan inti mengalami kerusakan magnetik total. Nilai kekuatan lapangan H = 0v pada B= 0 merupakan suatu sifat tertentu dari bahan dan disebut gaya perlambatan (koersif).

Dengan mengulangi proses pembalikan magnetisasi, diperoleh kurva tertutup a b c d e f a, yang disebut loop histeresis atau loop histeresis magnetik. Histeresis dari bahasa Yunani artinya tertinggal, terbelakang. Dari percobaan ini, mudah untuk memverifikasi bahwa magnetisasi dan demagnetisasi inti (kemunculan dan hilangnya kutub, induksi magnet atau fluks magnet) tertinggal dari momen munculnya dan hilangnya gaya magnetisasi dan demagnetisasi (arus dalam inti). belitan elektromagnet). Fenomena histeresis dapat dicirikan dengan kata lain sebagai jeda antara perubahan induksi magnet dan perubahan kekuatan medan. Pembalikan magnetisasi suatu material melibatkan pengeluaran sejumlah energi tertentu, yang dilepaskan dalam bentuk panas yang memanaskan material tersebut.

Histeresis magnetik sangat parah jika bahan inti memiliki sisa magnet yang tinggi (misalnya, baja keras). Fenomena histeresis dalam banyak kasus berbahaya. Hal ini menyebabkan kerugian histeresis yang dinyatakan dalam pemanasan inti dan konsumsi daya yang tidak perlu dari sumber tegangan, dan juga disertai dengan senandung inti karena perubahan polaritas dan rotasi. partikel elementer bahan inti.

Studi serius pertama tentang proses magnetisasi baja dilakukan oleh Alexander Grigorievich Stoletov (1839 – 1896) pada tahun 1872 dan diterbitkan dalam karyanya “Tentang fungsi magnetisasi besi lunak.”

A.G. Stoletov juga mengeksplorasi dan menjelaskan alam efek fotolistrik eksternal dan membuat fotosel pertama.

Video 1. Histeresis

Histeresis (dari bahasa Yunani histeresis - lag) adalah fenomena fisika dimana terjadi keterlambatan perubahan keadaan sistem dari perubahan besaran fisis yang menentukan kondisi luar.
Misalnya keterlambatan perubahan magnetisasi feromagnet akibat perubahan kuat medan magnet; keterlambatan perubahan polarisasi feroelektrik dari perubahan medan listrik.
Diamati dalam kasus di mana keadaan sistem ditentukan kondisi eksternal tidak hanya pada saat tertentu, tetapi juga pada saat-saat sebelumnya. Histeresis diamati di berbagai cabang fisika. Yang paling penting: histeresis magnetik, histeresis feroelektrik dan histeresis elastis.

Intinya fenomena ini dapat dijelaskan dengan menggunakan contoh termostat.
Pertimbangkan termostat yang disetel untuk mempertahankan suhu 20°C menggunakan pemanas listrik. Jika pelat bimetal yang mengontrol pemanas, yang berubah bentuk saat suhu berubah, tidak mengalami histeresis, pemanas akan sering hidup dan mati, yang akan menyebabkan keausan cepat pada kontak. Kenyataannya, regulator menyala pada suhu 19 °C dan mati pada suhu sekitar 21 °C. Dalam hal ini, inersia mekanis pelat bimetal dan inersia termal pemanas menimbulkan fenomena histeresis, peralihan mode terjadi dengan frekuensi rendah, dan suhu dalam termostat berfluktuasi dalam kisaran tertentu di dekat menetapkan nilai (beras. 1).

Gambar 1

Histeresis dicirikan oleh fenomena “saturasi”, serta ketidaksamaan lintasan antar keadaan ekstrim, sehingga terdapat loop sudut lancip pada grafik, yang disebut loop histeresis. Ketergantungan ambigu keadaan sistem pada kuantitas fisik (dengan perubahan siklik) digambarkan oleh loop histeresis ( beras. 2)

Gambar 2

Dalam elektronik dan teknik elektro, digunakan perangkat yang memiliki histeresis magnetik - berbagai media penyimpanan magnetik, atau histeresis listrik, misalnya pemicu Schmitt atau motor histeresis. Histeresis digunakan untuk menekan noise (osilasi cepat, pantulan kontak) saat mengganti sinyal logika. Misalnya, pemicu Schmitt ( beras. 3).

Gambar 3. Loop histeresis untuk pemicu Schmitt berbentuk persegi panjang.
Pada semua jenis perangkat elektronik, fenomena histeresis termal diamati: setelah perangkat dipanaskan dan selanjutnya didinginkan ke suhu awal, parameternya tidak kembali ke nilai awal. Karena berbeda ekspansi termal kristal semikonduktor, pemegang kristal, paket sirkuit mikro dan papan sirkuit tercetak, tekanan mekanis muncul pada kristal, yang bertahan bahkan setelah pendinginan. Fenomena histeresis termal paling terlihat pada referensi tegangan presisi yang digunakan dalam pengukuran konverter analog-ke-digital. Dalam sirkuit mikro modern, pergeseran relatif tegangan referensi akibat histeresis termal berada di urutan 10-100

Histeresis adalah konsep kompleks tentang proses yang terjadi dalam sistem dan zat yang mampu mengakumulasi berbagai energi, sedangkan laju dan intensitas peningkatannya berbeda dengan kurva penurunannya ketika dampaknya dihilangkan. Diterjemahkan dari bahasa Yunani Konsep histeresis diterjemahkan sebagai lag, oleh karena itu harus dipahami sebagai penundaan suatu proses dalam kaitannya dengan proses lainnya. Dalam hal ini, efek histeresis sama sekali tidak perlu hanya menjadi karakteristik media magnetik.

Properti ini memanifestasikan dirinya dalam banyak sistem dan lingkungan lain:

• hidrolika;
• kinematika;
• elektronik;
• biologi;
• ekonomi.

Konsep ini sering digunakan ketika mengatur kondisi suhu dalam sistem pemanas.

Ciri-ciri fenomena fisik

Kami akan fokus pada histeresis dalam teknologi elektronik terkait dengan proses magnetik di berbagai zat. Ini menunjukkan bagaimana bahan ini atau itu berperilaku dalam medan elektromagnetik, dan dengan demikian memungkinkan seseorang untuk membuat grafik ketergantungan dan melakukan beberapa pembacaan terhadap lingkungan di mana bahan yang sama berada. Misalnya, efek ini digunakan dalam pengoperasian termostat.

Jika kita mempertimbangkan secara lebih rinci konsep histeresis dan efek yang terkait dengannya, kita dapat melihat fitur seperti itu. Suatu zat dengan ciri ini mampu menjadi jenuh. Artinya, ini adalah keadaan di mana ia tidak lagi mampu mengumpulkan energi dalam dirinya sendiri. Dan jika mempertimbangkan proses dengan menggunakan contoh bahan feromagnetik, energi dinyatakan dengan magnetisasi, yang timbul karena adanya hubungan magnetis antara molekul-molekul suatu zat. Dan mereka menciptakan momen magnet - dipol, yang dalam keadaan normal diarahkan secara kacau.

Magnetisasi di dalam hal ini – ini adalah adopsi momen magnet dari arah tertentu. Jika diarahkan secara kacau, maka feromagnet dianggap mengalami kerusakan magnetik. Tetapi ketika dipol diarahkan ke satu arah, bahan tersebut menjadi magnet. Berdasarkan derajat magnetisasi inti kumparan, seseorang dapat menilai besarnya medan magnet yang diciptakan oleh arus yang mengalir melaluinya.

Proses fisik selama histeresis

Untuk memahami proses histeresis secara detail, Anda perlu mempelajari konsep-konsep berikut secara menyeluruh:

Adapun bahan yang efek histeresisnya paling baik diamati adalah feromagnet. Itu adalah campuran unsur kimia, yang mampu melakukan magnetisasi karena arah dipol magnetik, Itu sebabnya Biasanya komposisinya mengandung logam seperti:

• besi;
• kobalt;
• nikel;
• senyawa berdasarkan mereka.

Untuk melihat histeresis, tegangan bolak-balik harus diterapkan pada kumparan dengan inti feromagnetik. Pada saat yang sama, grafik magnetisasi tidak akan terlalu bergantung pada besarnya, karena pengaruhnya bergantung langsung pada sifat-sifat bahan itu sendiri dan besarnya ikatan magnet antar unsur-unsur zat.

Poin mendasar ketika mempertimbangkan konsep histeresis dalam elektronik adalah induksi magnetik B yang tercipta di sekitar kumparan ketika tegangan diterapkan. Hal ini ditentukan oleh rumus standar, sebagai produk magnet konstanta dielektrik zat dengan jumlah kekuatan medan dan magnetisasi.

Untuk memahami prinsip umum efek histeresis , Anda perlu menggunakan jadwal. Ini menunjukkan loop magnetisasi dari keadaan demagnetisasi lengkap. Area tersebut dapat ditandai dengan angka 0-1. Dengan tegangan dan durasi paparan medan magnet yang cukup pada material, grafik mencapai titik ekstrim sepanjang lintasan yang ditunjukkan. Prosesnya dilakukan tidak dalam garis lurus, melainkan sepanjang kurva dengan kelengkungan tertentu, yang menjadi ciri sifat-sifat material. Semakin banyak suatu zat koneksi magnetik antar molekul, semakin cepat mencapai saturasi.

Setelah tegangan dihilangkan dari kumparan, kuat medan magnet turun menjadi nol. Ini adalah area pada grafik 1-2. Dalam hal ini, materi, karena arahnya momen magnetik tetap termagnetisasi. Namun besarnya magnetisasi sedikit lebih rendah dibandingkan pada saat jenuh. Jika efek seperti itu diamati pada suatu zat, maka zat tersebut termasuk feromagnet, yang mampu mengakumulasi medan magnet karena ikatan magnet yang kuat antara molekul-molekul zat tersebut.

Ketika polaritas tegangan yang disuplai ke kumparan berubah, proses demagnetisasi berlanjut sepanjang kurva yang sama sampai jenuh. Hanya dalam kasus ini momen magnet dipol akan diarahkan ke dalam sisi sebaliknya. Dengan frekuensi jaringan, proses tersebut akan diulangi secara berkala, menggambarkan grafik yang disebut loop histeresis magnetik.

Ketika feromagnet dimagnetisasi berulang kali dengan intensitas yang lebih rendah daripada saat jenuh, sekumpulan kurva dapat diperoleh dari mana grafik umum dapat dibuat yang mencirikan keadaan suatu zat dari terdemagnetisasi sempurna hingga termagnetisasi penuh.

Histeresis adalah konsep yang kompleks , mencirikan kemampuan suatu zat untuk mengakumulasi energi medan magnet atau besaran lain karena adanya ikatan magnet antara molekul-molekul suatu zat atau ciri-ciri operasi sistem. Namun tidak hanya paduan besi, kobalt, dan nikel yang dapat memberikan efek ini. Barium titanate akan memberikan hasil yang sedikit berbeda jika ditempatkan pada lapangan dengan intensitas tertentu.

Karena ini adalah feroelektrik, histeresis dielektrik diamati di dalamnya. Loop histeresis terbalik terbentuk ketika tegangan yang diterapkan pada medium memiliki polaritas yang berlawanan, dan besarnya medan berlawanan yang bekerja pada material disebut gaya koersif.

Dalam hal ini, kekuatan medan dapat mendahului intensitas yang berbeda, yang dikaitkan dengan kekhasan keadaan sebenarnya dari dipol - momen magnet setelah magnetisasi sebelumnya. Berbagai kotoran juga mempengaruhi prosesnya terkandung dalam materi tersebut. Semakin banyak, semakin sulit untuk menggerakkan dinding dipol, sehingga yang disebut magnetisasi sisa tetap ada.

Apa yang mempengaruhi loop histeresis?

Tampaknya histeresis lebih banyak efek dalam , yang tidak terlihat pada permukaan material, tetapi sangat bergantung tidak hanya pada jenis material itu sendiri, tetapi juga pada kualitas dan jenis proses mekanisnya. Misalnya, besi menjadi jenuh pada tegangan 1 Oe, dan paduan magnet mencapai tegangannya titik kritis hanya pada 580 e. Semakin banyak cacat pada permukaan suatu material, semakin besar pula kekuatan medan magnet yang dibutuhkan untuk membawanya ke keadaan jenuh.

Akibat magnetisasi dan demagnetisasi, material terlepas energi panas, yang sama dengan luas loop histeresis. Juga, kerugian dalam feromagnet termasuk aksinya arus eddy dan viskositas magnetik zat tersebut. Hal ini biasanya diamati ketika frekuensi medan magnet berubah ke atas.

Tergantung pada sifat perilaku feromagnet di lingkungan dengan medan magnet, membedakan statis dan histeresis dinamis . Yang pertama diamati pada frekuensi tegangan nominal, tetapi seiring dengan peningkatan, luas grafik meningkat, yang juga menyebabkan peningkatan kerugian.

Properti lainnya

Selain histeresis magnetik, ada juga efek galvomagnetik dan magnetostriktif. Ada perubahan dalam proses ini hambatan listrik karena deformasi mekanis material. Feroelektrik mampu menghasilkan di bawah pengaruh gaya deformasi arus listrik, yang dijelaskan oleh histeresis piezoelektrik. Ada juga konsep histeresis elektro-optik dan dielektrik ganda. Proses terakhir biasanya memiliki kepentingan terbesar, karena disertai dengan grafik ganda di zona yang mendekati titik jenuh.

Definisi histeresis tidak hanya berlaku untuk feromagnet yang digunakan dalam elektronik. Proses ini juga bisa terjadi dalam termodinamika. Misalnya saat mengatur pemanasan dari ketel gas atau listrik. Komponen pengatur dalam sistem ini adalah termostat. Namun satu-satunya variabel yang dikontrol adalah suhu air dalam sistem.

Ketika turun ke tingkat yang telah ditentukan, boiler menyala, mulai memanas nilai yang diberikan. Kemudian mati dan proses berulang dalam satu siklus. Jika Anda melakukan pembacaan suhu saat memanaskan dan mendinginkan sistem pada setiap siklus menghidupkan dan mematikan pemanas, Anda akan mendapatkan grafik dalam bentuk loop histeresis, yang disebut histeresis boiler.

Dalam sistem seperti itu histeresis dinyatakan dalam suhu. Misalnya, jika suhunya 4°C, dan suhu cairan pendingin diatur ke 18°C, maka boiler akan mati ketika mencapai 22°C. Dengan demikian, Anda dapat menyesuaikan apa pun yang dapat diterima rezim suhu di dalam ruangan. Termostat sebenarnya adalah sensor suhu atau termostat yang menyalakan atau mematikan pemanas ketika ambang batas bawah dan atas tercapai.

Histeresis menurut definisi, ini adalah properti sistem yang tidak segera mengikuti gaya yang diterapkan. Reaksi sistem-sistem ini bergantung pada gaya-gaya yang bekerja sebelumnya, yaitu sistem-sistem bergantung pada sejarahnya sendiri.

Apa itu "rekayasa histeresis"? Berbeda dengan histeresis klasik, “engineering histeresis” tidak disebabkan oleh fenomena sisa dalam sistem ketika arah proses berubah, tetapi perubahan mendadak properti sistem pada titik awal dan akhir proses (misalnya, ketika otomatisasi dipicu, perubahan peralihan/geometri/logika, dll. dalam sistem).

Mari kita ilustrasikan perbedaannya. Gambar 2 dan 3 menunjukkan kurva histeresis lengkap untuk histeresis klasik dan teknik. Saat berpindah dari titik 0 ke titik 1 tidak ada perbedaan. Tetapi!

Mari kita perhatikan pertanyaan tentang bagaimana suatu sistem yang memiliki histeresis pada beberapa sifat (karakteristik) berperilaku jika proses perpindahan dari titik awal proses ke titik akhir terganggu di suatu tempat di tengah.

Memperhatikan! Dalam histeresis klasik, perubahan arah proses membentuk lingkaran histeresis baru. Dalam "rekayasa histeresis" ketika tidak mencapai titik ekstrim proses, hal seperti itu tidak terjadi. Hal ini akan menyebabkan apa?