Elektrotechnikoje yra įvairių prietaisų, kurių veikimo principas pagrįstas elektromagnetiniai reiškiniai. Ten, kur yra šerdis, ant kurios suvyniota laidžios medžiagos, pavyzdžiui, vario, ritė, stebima magnetinių laukų sukeliama sąveika. Tai relės, starteriai, kontaktoriai, elektros varikliai ir magnetai. Tarp šerdies savybių yra tokia charakteristika kaip histerezė. Šiame straipsnyje apžvelgsime, kas tai yra, taip pat šio reiškinio naudą ir žalą.
Sąvokos apibrėžimas
Žodis "histerezė" turi graikų šaknis ir yra verčiamas kaip atsilikimas arba atsilikimas. Šis terminas vartojamas įvairiose mokslo ir technologijų srityse. IN bendrąja prasme histerezės sąvoka išskiria kitoks elgesys sistemos, veikiamos priešingos įtakos.
Tai galima pasakyti ir daugiau paprastais žodžiais. Tarkime, yra tam tikra sistema, kurią galima paveikti keliomis kryptimis. Jei, kai jį veikia kryptis į priekį, po nutraukimo sistema negrįžta į pradinę būseną, o įsitvirtina tarpinėje būsenoje – tuomet norint ją grąžinti į pradinę būseną reikia su tam tikra jėga veikti kita kryptimi. Šiuo atveju sistema turi histerezę.
Kartais šis reiškinys naudojamas naudingais tikslais, pavyzdžiui, kuriant elementus, kurie suveikia tam tikromis sąlygomis. slenkstinės vertėsįtakos jėgoms ir reguliuotojams. Kitais atvejais histerezę atlieka žalingas poveikis Pažvelkime į tai praktiškai.
Histerezė elektrotechnikoje
Elektrotechnikoje histerezė yra svarbi savybė medžiagoms, iš kurių gaminamos elektros mašinų ir prietaisų šerdys. Prieš tęsdami paaiškinimus, pažvelkime į šerdies įmagnetinimo kreivę.
Šio tipo grafiko vaizdas taip pat vadinamas histerezės kilpa.
Svarbu! IN šiuo atveju mes kalbame apie apie feromagnetų histerezę, čia tai netiesinė medžiagos vidinės magnetinės indukcijos priklausomybė nuo išorinės magnetinės indukcijos dydžio, kuri priklauso nuo ankstesnės elemento būsenos.
Kai srovė teka per laidininką, aplink jį atsiranda magnetinis laukas. Jei suvyniosite laidą į ritę ir praleidžiate per ją srovę, gausite elektromagnetą. Jei įdėsite šerdį į ritę, jos induktyvumas padidės, kaip ir aplink ją esančios jėgos.
Nuo ko priklauso histerezė? Atitinkamai, šerdis yra pagaminta iš metalo, jos charakteristikos ir įmagnetinimo kreivė priklauso nuo jo tipo.
Jei naudosite, pavyzdžiui, grūdintą plieną, histerezė bus platesnė. Renkantis vadinamąsias minkštąsias magnetines medžiagas, grafikas susiaurės. Ką tai reiškia ir kam jis skirtas?
Faktas yra tas, kad kai tokia ritė veikia grandinėje AC srovė teka viena ar kita kryptimi. Dėl to ir magnetinės jėgos, stulpai nuolat apverčiami. Ritėje be šerdies tai iš esmės vyksta vienu metu, tačiau su šerdimi viskas yra kitaip. Jis palaipsniui įmagnetinamas, jo magnetinė indukcija didėja ir palaipsniui pasiekia beveik horizontalią grafiko atkarpą, kuri vadinama prisotinimo sekcija.
Po to, jei pradėsite keisti srovės ir magnetinio lauko kryptį, šerdis turės iš naujo įmagnetinti. Bet jei tiesiog išjungsite srovę ir taip pašalinsite magnetinio lauko šaltinį, šerdis vis tiek išliks įmagnetinta, nors ir ne tiek. Įjungta kitas tvarkaraštis Tai taškas "A". Norint jį išmagnetinti iki pradinės būsenos, būtina sukurti neigiamą magnetinio lauko stiprumą. Tai taškas "B". Atitinkamai, srovė ritėje turi tekėti priešinga kryptimi.
Magnetinio lauko stiprumo vertė visiškam šerdies išmagnetinimui vadinama priverstine jėga ir kuo ji mažesnė, tuo geriau šiuo atveju.
Įmagnetinimo apsisukimas priešinga kryptimi vyks panašiai, bet palei apatinę kilpos atšaką. Tai yra, kai veikia kintamosios srovės grandinėje, dalis energijos bus išleista šerdies įmagnetinimui pakeisti. Tai lemia tai, kad elektros variklio ir transformatoriaus efektyvumas mažėja. Atitinkamai, tai sukelia jo šildymą.
Svarbu! Kuo mažesnė histerezė ir priverstinė jėga, tuo mažiau nuostolių kad iš naujo įmagnetintų šerdį.
Be to, kas buvo aprašyta aukščiau, histerezė taip pat būdinga relių ir kitų elektromagnetinių perjungimo įrenginių veikimui. Pavyzdžiui, atidarymo ir uždarymo srovė. Išjungus relę, kad ji veiktų, turi būti taikoma tam tikra srovė. Tokiu atveju srovė, skirta jį laikyti įjungtoje būsenoje, gali būti daug mažesnė nei įjungimo srovė. Jis išsijungs tik tada, kai srovė nukris žemiau palaikymo srovės.
Histerezė elektronikoje
IN elektroniniai prietaisai histerezę daugiausia sukelia naudingų savybių. Tarkime, kad tai naudojama slenksčio elementuose, pavyzdžiui, lyginamuosiuose ir Schmidto trigeriuose. Žemiau matote jo būsenų grafiką:
Tai būtina tais atvejais, kai prietaisas suveikia pasiekus signalą X, po kurio signalas gali pradėti mažėti ir įrenginys neišsijungia tol, kol signalas nenukrenta iki Y lygio. Šis sprendimas naudojamas kontaktų atšokimui ir atsitiktiniam atmušimui slopinti. smaigaliais, taip pat įvairiuose reguliatoriuose.
Pavyzdžiui, termostatas arba temperatūros reguliatorius. Paprastai jo veikimo principas yra išjungti šildymo (arba vėsinimo) įrenginį tuo momentu, kai temperatūra patalpoje ar kitoje vietoje pasiekia iš anksto nustatytą lygį.
Trumpai ir paprastai pažvelkime į dvi parinktis:
- Jokios histerezės. Įsijungia ir išjungia tam tikrą temperatūrą. Tačiau čia yra niuansų. Jei nustatysite temperatūros reguliatorių iki 22 laipsnių ir šildysite kambarį iki tokio lygio, tada kai tik kambarys pasieks 22, jis išsijungs, o kai vėl nukris iki 21 - įsijungs. Tai ne visada teisingas sprendimas, nes jūsų valdomas prietaisas įsijungs ir išsijungs per dažnai. Be to, atliekant daugumą buitinių ir pramoninių užduočių, tokios tikslios temperatūros palaikymo nereikia.
- Su histereze. Norint sukurti tam tikrą tarpą leistinoje reguliuojamų parametrų diapazone, naudojama histerezė. Tai yra, jei nustatysite 22 laipsnių temperatūrą, kai tik ji bus pasiekta, šildytuvas išsijungs. Tarkime, kad histerezė reguliatoriuje nustatyta iki 3 laipsnių tarpo, tada šildytuvas vėl pradės veikti tik oro temperatūrai nukritus iki 19 laipsnių.
Kartais šis tarpas koreguojamas pagal jūsų skonį. Paprastose versijose naudojamos bimetalinės plokštės.
Mes pažvelgėme į histerezės reiškinį ir taikymą elektros inžinerijoje. Rezultatas toks: elektrinėse pavarose ir transformatoriuose jis turi žalingą poveikį, bet elektronikoje ir įvairiuose reguliatoriuose taip pat randa naudinga programa. Tikimės, kad pateikta informacija jums buvo naudinga ir įdomi!
Medžiagos
Norėdami geriau suprasti, kas yra magnetinė histerezė, turite suprasti, kur ir kokiomis sąlygomis ji atsiranda.
Pagrindinės sąvokos
Magnetinis laukas– tai vienas iš komponentų elektromagnetinis laukas, pasižymintis stipriu poveikiu judančioms įkrautoms dalelėms.
Magnetinės indukcijos vektorius B– tai pagrindinė magnetinio lauko jėgos reikšmė.
Įmagnetinimas M yra kiekis, kuris apibūdina magnetinė būsena medžiagų.
Magnetinio lauko stiprumas yra magnetinio lauko charakteristika, kuri yra lygi skirtumui tarp magnetinės indukcijos ir įmagnetinimo.
Feromagnetinė medžiaga yra medžiaga, kurios įmagnetinimas priklauso nuo išorinio magnetinio lauko stiprumo.
Tarkime, kad turime ritę, kurios viduje yra šerdis iš feromagnetinės medžiagos. Paprastai tokia šerdis susideda iš geležies, nikelio, kobalto ir įvairių jų pagrindu pagamintų junginių. Jei prijungiate jį prie kintamosios srovės šaltinio, tada aplink ritę susidaro magnetinis laukas, kuris keisis pagal įstatymą
B (H) grafikas
Atkarpa 0-1 vadinama pradine įmagnetinimo kreive. Jo dėka matome, kaip keičiasi magnetinė indukcija išmagnetintoje ritėje.
Po prisotinimo (tai yra 1 taškas) sumažėjus magnetinio lauko stiprumui iki nulio (1-2 skyrius), matome, kad šerdis liko įmagnetinta liekamojo įmagnetinimo Br reikšme. Tai vadinama magnetinės histerezės reiškiniu.
Fizikos požiūriu liekamasis įmagnetinimas paaiškinamas tuo, kad feromagnetuose yra stiprūs magnetinės jungtys tarp molekulių, dėl kurių susidaro atsitiktinai nukreipti magnetiniai momentai. Esant įtakai išorinis laukas, jie paima lauko kryptį, o jį pašalinus, dalis magnetiniai momentai likti nukreiptas. Todėl medžiaga išlieka įmagnetinta.
Pakeitus srovės kryptį ritėje, išmagnetinimas tęsiasi (2-3 skyrius), kol kerta x ašis. 3-0 atkarpa vadinama priverstine jėga Hc. Tai yra vertė, kuri būtina norint sunaikinti lauką šerdyje. Tada, panašiai, šerdis įmagnetinama iki prisotinimo (3-4 skyrius) ir išmagnetinama atgal 4-5 ir 5-6 skyriuose, po to įmagnetinama iki 1 taško. Visas šis grafikas vadinamas magnetine histerezės kilpa.
Jei pakartotinai įmagnetinate šerdį, kai magnetinio lauko stiprumas ir indukcija yra mažesnė nei soties, galite gauti kreivių šeimą, iš kurios vėliau galėsite sudaryti pagrindinę įmagnetinimo kreivę (0-1-2). Ši kreivė dažnai reikalinga atliekant magnetinių sistemų elektrinius skaičiavimus.
Priklausomai nuo histerezės kilpos pločio, feromagnetinės medžiagos skirstomos į kietąsias magnetines ir minkštąsias magnetines. Kietos magnetinės medžiagos turi didelės vertybės liekamasis įmagnetinimas ir koercinė jėga. Minkštos magnetinės medžiagos, tokios kaip elektrotechninis plienas, dėl mažos prievartos jėgos ir elektromagnetų naudojamos transformatoriuose, elektros mašinose, elektromagnetuose. didelės svarbos magnetinis pralaidumas.
Svarbi feroelektrikų savybė atrandama tiriant priklausomybę elektrinis poslinkis(D) nuo lauko stiprumo (E). Poslinkis nėra tiesiogiai proporcingas laukui. Medžiagos dielektrinė konstanta () priklauso nuo lauko stiprumo. Be to, dielektrinio poslinkio dydis priklauso ne tik nuo įtampos vertės elektrinis laukas V dabarties akimirka, bet ir apie poliarizacijos būsenų priešistorę. Šis reiškinys vadinamas dielektrinė histerezė. Grafiškai pavaizduota feroelektrikų poslinkio D priklausomybė nuo lauko stiprio E histerezės kilpa(1 pav.).
Tarp plokščių plokščias kondensatorius Padėkime feroelektrą. Išorinio elektrinio lauko stiprumą (E) pakeisime pagal harmonijos dėsnis. Tokiu atveju mes pradėsime matuoti dielektrinė konstanta feroelektrinis (). Tam naudojama grandinė, kurią sudaro du nuosekliai sujungti kondensatoriai. Prie kraštutinių kondensatorių gnybtų prijungiamas generatorius, kuris sukuria potencialų skirtumą, kuris kinta pagal harmoninį dėsnį. Vienas iš esamų kondensatorių užpildytas feroelektriku (jo talpą žymime C), kitame nėra dielektriko (). Darome prielaidą, kad kondensatoriaus plokščių plotai lygūs, atstumai tarp plokščių d. Tada kondensatorių lauko stipris yra:
tada potencialų skirtumai tarp atitinkamų kondensatorių plokščių:
kur yra kondensatoriaus plokščių įkrovos tankis. Tada santykis yra:
Jei įtampa U taikoma horizontaliam osciloskopo skenavimui, o įtampa vertikaliam skenavimui, tada osciloskopo ekrane, keičiantis E, bus rodoma kreivė, kurios taškų abscisė tam tikroje skalėje yra lygi , o ordinatės yra lygios. į . Ši kreivė bus histerezės kilpa (1 pav.).
Pateiktoje kreivėje esančios rodyklės nurodo lauko stiprumo kitimo kryptis. Segmentas OB – rodo feroelektriko liekamosios poliarizacijos reikšmę. Tai yra dielektriko poliarizacija išoriniame lauke lygus nuliui. Kuo didesnis OF segmentas, tuo didesnė liekamoji poliarizacija. OS segmente rodomas įtampos dydis, priešinga kryptimi prie poliarizacijos vektoriaus, kuriame feroelektrikas yra visiškai depoliarizuotas (liekamoji poliarizacija lygi nuliui). Kuo ilgesnis OS segmento ilgis, tuo geriau feroelektrikas išlaiko liekamąją poliarizaciją.
Histerezės kilpą galima gauti keičiant feromagneto įmagnetinimą periodiniame magnetiniame lauke. Magneto magnetinės indukcijos priklausomybė nuo išorinio magnetinio lauko stiprumo (B(H)) atrodys panašiai kaip 1 pav. Feromagnetų histerezės kilpos demonstravimas atliekamas pagal aukščiau aprašytą schemą, tačiau keičiant kondensatorius ritėmis.
Problemų sprendimo pavyzdžiai
1 PAVYZDYS
| Pratimai | Paaiškinkite, kodėl feromagnetai ciklinio įmagnetinimo apsisukimo metu kuo labiau įkaista, tuo ryškesnė jų histerezė. |
| Sprendimas | Panagrinėkime feromagnetą, kurio histerezė parodyta 2 pav. Indukcijai didėjant nuo iki, atliekamas darbas, lygus įmagnetinimo kreivės 1 šakos apribotam plotui, ty plotui. Išmagnetinus iki pradinės būsenos grąžinamas darbas lygus plotui, kuris akivaizdžiai mažesnis. Taigi, per visą mūsų feromagneto įmagnetinimo ciklą, energija, lygi W, įvedama į kiekvieną medžiagos tūrio vienetą ir: kur S yra histerezės kilpos plotas. Ši energija išleidžiama darbui prieš priverstines jėgas feromagnete ir dėl to virsta šiluma. Vadinasi, kuo labiau feromagnetai įkaista, tuo stipresnė jų histerezė. |
2 PAVYZDYS
| Pratimai | Kodėl skaičiuojant atsižvelgiama į histerezės šilumą? elektros prietaisai ir prietaisai? |
| Sprendimas | Skaičiuojant įvairius elektros prietaisus, jei juose yra feromagnetų, kurių įmagnetinimas keičiasi prietaiso veikimo metu, reikia atsižvelgti į histerezės šilumą. (žr. 1 pavyzdį). Tokių įrenginių pavyzdžiai yra transformatorių geležinės šerdys, generatorių geležinės armatūra DC. Histerezės buvimas juose lemia tai, kad yra nenaudingos energijos sąnaudos, išsiskiriančios šilumos pavidalu, o tai sumažina koeficientą naudingas veiksmas prietaisai ir įrenginiai. Siekiant sumažinti nereikalingų atliekų kiekį, naudojamos minkštos geležies rūšys, kurių histerezės kilpos yra minimalios, tai yra, histerezė yra silpna. |
Histerezė viduje bendra koncepcija(iš graikų kalbos - atsilieka) yra tam tikrų fizinių, biologinių ir kitų sistemų, kurios reaguoja į atitinkamą įtaką, savybė, atsižvelgiant į dabartinė būklė, taip pat fonas.
Histerezė būdinga vadinamiesiems „sotumas“ ir įvairios atitinkamų grafikų trajektorijos, žyminčios sistemos būseną šiuo metu laiko. Pastarieji galiausiai turi smailaus kampo kilpos formą.
Jei svarstysime konkrečiai elektrotechniką, tada kiekviena elektromagnetinė šerdis pasibaigus ekspozicijai elektros srovė kurį laiką išlaiko savo magnetinį lauką, vadinamą liekamuoju magnetizmu.
Jo vertė visų pirma priklauso nuo medžiagos savybių: grūdinto plieno ji yra žymiai didesnė nei minkštosios geležies.
Bet, bet kokiu atveju, liekamojo magnetizmo reiškinys visada yra, kai šerdis yra permagnetinama, kai reikia ją išmagnetinti iki nulio ir tada pakeisti polių į priešingą.
Bet koks srovės krypties pasikeitimas elektromagneto apvijoje apima (dėl pirmiau minėtų medžiagos savybių) išankstinį šerdies išmagnetinimą. Tik po to jis gali pakeisti savo poliškumą – tai gerai žinomas fizikos dėsnis.
Norint pakeisti įmagnetinimą priešinga kryptimi, reikalingas atitinkamas magnetinis srautas.
Kitaip tariant: šerdies pokytis „neatsilieka“ nuo atitinkamų magnetinio srauto pokyčių, kuriuos greitai sukuria apvija.
Būtent toks šerdies įmagnetinimo laiko vėlavimas dėl magnetinių srautų pokyčių elektrotechnikoje vadinamas histereze.
Kiekvienas šerdies įmagnetinimo pasikeitimas pašalina liekamąjį magnetizmą veikiant priešinga kryptimi magnetinis srautas. Praktiškai tai lemia tam tikrus elektros energijos nuostolius, kurie išleidžiami norint įveikti „neteisingą“ molekulinių magnetų orientaciją.
Pastarosios pasireiškia šilumos išsiskyrimo forma ir yra vadinamosios histerezės sąnaudos.
Taigi plieninės šerdys, pavyzdžiui, elektros variklių ar generatorių statoriai ar armatūra, taip pat turėtų turėti kuo žemesnes koreliacijos galia. Tai sumažins histerezės nuostolius ir galiausiai padidins atitinkamo elektros bloko ar įrenginio efektyvumą. 
Patį įmagnetinimo procesą lemia atitinkamas grafikas – vadinamoji histerezės kilpa. Tai uždara kreivė, rodanti įmagnetinimo greičio priklausomybę nuo išorinio lauko stiprumo dinamikos pokyčių.
Didelis plotas kilpos atitinkamai reiškia dideles įmagnetinimo apvertimo išlaidas.
Taip pat beveik visose elektroniniai prietaisai Taip pat yra toks reiškinys kaip terminė histerezė - negrįžimas įkaitinus įrangą pradinė būsena.
B ir histerezės reiškinys naudojamas įvairiose magnetinėse laikmenose (pavyzdžiui, Schmidt trigeriuose), arba specialiuose histerezės elektros varikliuose.
Tai plačiai paplitusi fizinis poveikis taip pat randama įvairiuose įrenginiuose, skirtuose slopinti įvairius triukšmus (kontaktų atšokimą, greitus virpesius ir kt.) perjungiant logines grandines.
