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 nagrinėsime konkrečiai elektrotechniką, tada kiekviena elektromagnetinė šerdis, pasibaigus elektros srovės poveikiui, tam tikrą 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 minėtų medžiagų 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: esminis pakeitimas „neatsilieka“ nuo atitinkamų pakeitimų magnetinis srautas, kurį apvija greitai sukuria.
Būtent toks šerdies įmagnetinimo laiko vėlavimas dėl magnetinių srautų pokyčių elektrotechnikoje vadinamas histereze.
Kiekvienas šerdies įmagnetinimo pasikeitimas reiškia, kad liekamojo magnetizmo pašalinimas veikiant priešingos krypties magnetinį srautą. 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 įtempimo dinamikos pokyčių išorinis laukas.
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.
Panagrinėkime feromagnetinės medžiagos kintamo įmagnetinimo procesą. Šiuo tikslu apvyniosime apviją ant plieninės šerdies ir pervesime D.C.. Tarkime, kad elektromagneto šerdis anksčiau nebuvo įmagnetinta.
Padidėja srovė, einanti per apvijos posūkius aš nuo nulio padidinsime įmagnetinimo jėgą ir lauko stiprumą H. Magnetinės indukcijos vertė Bšerdyje taip pat padidės. Įmagnetinimo kreivė 0a 1 paveiksle turi tiesią dalį, o tada dėl prisotinimo kreivė lėtai kyla, artėja prie horizontalės. Jei dabar, pasiekęs tašką A, sumažinti H, tada jis sumažės ir B. Tačiau mažėjimas B kai mažėja H, tai yra išmagnetinimo metu, įvyks su vėlavimu, palyginti su sumažėjimu H. Didumas liekamoji indukcija adresu H= 0 apibūdinama atkarpa 0b.
Tam, kad magnetinė indukcija šerdyje taptų lygus nuliui, būtina medžiagą įmagnetinti priešinga kryptimi, tai yra pakartotinai įmagnetinti. Šiuo tikslu apvijos srovės kryptis yra atvirkštinė. Kryptis magnetinės linijos ir magnetinio lauko stiprumas taip pat keičiasi. Esant lauko stiprumui H = 0v indukcija šerdyje yra lygi nuliui, o šerdies medžiaga yra visiškai išmagnetinta. Lauko stiprumo vertė H = 0v adresu B= 0 yra tam tikra medžiagos charakteristika ir vadinama stabdančia (prievarta) jėga.
Kartodami įmagnetinimo apsisukimo procesą, gauname uždarą kreivę a b c d e f a, kuri vadinama histerezės kilpa arba magnetine histerezės kilpa. Histerezė iš graikų kalbos reiškia atsilikęs, atsilikęs. Iš šio eksperimento nesunku patikrinti, ar šerdies įmagnetinimas ir išmagnetinimas (polių atsiradimas ir išnykimas, magnetinė indukcija arba magnetinis srautas) atsilieka nuo įmagnetinimo ir išmagnetinimo jėgos atsiradimo ir išnykimo momento. elektromagneto apvija). Histerezės reiškinį galima apibūdinti kitais žodžiais kaip atsilikimą tarp magnetinės indukcijos pokyčių ir lauko stiprumo pokyčių. Medžiagos įmagnetinimo apvertimas apima tam tikro energijos kiekio, kuris išsiskiria kaip šiluma, kuri šildo medžiagą, sunaudojimą.
Magnetinė histerezė ypač stipri, jei šerdies medžiaga turi didelį liekamąjį magnetizmą (pavyzdžiui, kietas plienas). Histerezės reiškinys daugeliu atvejų yra žalingas. Tai sukelia histerezės nuostolius, išreikštus šerdies šildymu ir nereikalingu įtampos šaltinio energijos suvartojimu, be to, jį lydi šerdies ūžesys dėl poliškumo pokyčių ir sukimų. elementariosios dalelės pagrindinė medžiaga.
Pirmąjį rimtą plieno įmagnetinimo procesų tyrimą 1872 m. atliko Aleksandras Grigorjevičius Stoletovas (1839–1896) ir paskelbė darbe „Dėl minkštosios geležies įmagnetinimo funkcijos“.
Be to, A.G.Stoletovas tyrinėjo ir aiškino gamtą išorinis fotoelektrinis efektas ir pagamino pirmąjį fotoelementą.
Vaizdo įrašas 1. Histerezė
Histerezė (iš graikų kalbos histerezė – atsilikimas) yra fizinis reiškinys, kai sistemos būklės pokytis vėluoja nuo fizinio dydžio pasikeitimo, lemiančio išorines sąlygas.
Pavyzdžiui, feromagneto įmagnetinimo pokyčio vėlavimas dėl magnetinio lauko stiprumo pasikeitimo; feroelektrinio poliarizacijos pokyčio delsimas nuo elektrinio lauko kitimo.
Pastebima tais atvejais, kai nustatoma sistemos būsena išorinės sąlygos ne tik tam tikru laiko momentu, bet ir ankstesniais momentais. Histerezė stebima įvairiose fizikos šakose. Svarbiausia: magnetinė histerezė, feroelektrinė histerezė ir elastinė histerezė.
Esmė šis reiškinys galima paaiškinti naudojant termostato pavyzdį.
Apsvarstykite galimybę nustatyti termostatą, kuris palaikytų 20 °C temperatūrą naudojant elektrinį šildytuvą. Jei šildytuvą valdanti bimetalinė plokštė, kuri deformuojasi keičiantis temperatūrai, neturėtų histerezės, šildytuvas labai dažnai įsijungtų ir išsijungtų, o tai lemtų greitą kontaktų nusidėvėjimą. Realiai reguliatorius įsijungia esant 19 °C, o išsijungia maždaug prie 21 °C. Šiuo atveju mechaninė bimetalinės plokštės inercija ir šildytuvo šiluminė inercija sukelia histerezės reiškinį, režimo perjungimas vyksta žemu dažniu, o temperatūra termostate svyruoja tam tikrame diapazone šalia nustatyta vertė (ryžių. 1).
1 pav
Histerezei būdingas „sotumo“ reiškinys, taip pat ekstremalių būsenų trajektorijų skirtumai, todėl diagramose yra ūmaus kampo kilpa, vadinama histerezės kilpa. Dviprasmiška sistemos būsenos priklausomybė nuo fizinio dydžio (su cikliniais pokyčiais) pavaizduota histerezės kilpa ( ryžių. 2)
2 pav
Elektronikoje ir elektrotechnikoje naudojami prietaisai, turintys magnetinę histerezę - įvairios magnetinės laikmenos arba elektrinė histereze, pavyzdžiui, Schmitt trigeris arba histerezės variklis. Histerezė naudojama triukšmui (greitiems virpesiams, kontaktų atšokimui) slopinti perjungiant loginius signalus. Pavyzdžiui, Schmitt trigeris ( ryžių. 3).
3 pav. Schmitt trigerio histerezės kilpa yra stačiakampė.
Visų tipų elektroniniuose įrenginiuose pastebimas šiluminės histerezės reiškinys: įkaitinus įrenginį ir vėliau atvėsus iki pradinės temperatūros, jo parametrai nebegrįžta į pradines vertes. Dėl skirtingų šiluminis plėtimasis puslaidininkiniai kristalai, kristalų laikikliai, mikroschemų paketai ir spausdintinės plokštės, kristaluose atsiranda mechaniniai įtempimai, kurie išlieka net atvėsus. Šiluminės histerezės reiškinys labiausiai pastebimas tiksliose įtampos atskaitose, naudojamose matavimo analoginiuose-skaitmeniniuose keitikliuose. Šiuolaikinėse mikroschemose santykinis etaloninės įtampos poslinkis dėl šiluminės histerezės yra maždaug 10–100
Histerezė yra sudėtinga procesų, vykstančių sistemose ir medžiagose, galinčiose kaupti įvairias energijas, samprata, o jos didėjimo greitis ir intensyvumas skiriasi nuo mažėjimo kreivės pašalinus poveikį. Išversta iš graikų kalba Histerezės sąvoka verčiama kaip atsilikimas, todėl ji turėtų būti suprantama kaip vieno proceso vėlavimas kito atžvilgiu. Šiuo atveju visai nebūtina, kad histerezės efektas būtų būdingas tik magnetinėms terpėms.
Ši savybė pasireiškia daugelyje kitų sistemų ir aplinkų:
- hidraulika;
- kinematika;
- elektronika;
- biologija;
- ekonomika.
Ši koncepcija ypač dažnai naudojama reguliuojant temperatūros sąlygas šildymo sistemose.
Fizinio reiškinio ypatumai
Mes sutelksime dėmesį į elektroninių technologijų histerezė susiję su magnetiniais procesais įvairių medžiagų. Tai parodo, kaip ta ar kita medžiaga elgiasi elektromagnetiniame lauke, ir tai leidžia sudaryti priklausomybės grafikus ir atlikti kai kuriuos aplinkos, kurioje yra tos pačios medžiagos, rodmenis. Pavyzdžiui, šis efektas naudojamas veikiant termostatui.
Išsamiau įvertinus histerezės sąvoką ir su ja susijusį efektą, galima pastebėti tokią savybę. Medžiaga, turinti šią savybę, gali tapti prisotinta. Tai yra, tai yra būsena, kai ji nebegali kaupti energijos savyje. Nagrinėjant procesą, kaip pavyzdį naudojant feromagnetines medžiagas, energija išreiškiama įmagnetinimu, kuris atsiranda dėl esamo magnetinio ryšio tarp medžiagos molekulių. Ir jie sukuria magnetinius momentus – dipolius, kurie normalioje būsenoje yra nukreipti chaotiškai.
Įmagnetinimas šiuo atveju – tai tam tikros krypties magnetinių momentų perėmimas. Jei jie nukreipti chaotiškai, feromagnetas laikomas išmagnetintu. Bet kai dipoliai nukreipiami viena kryptimi, medžiaga įmagnetinama. Pagal ritės šerdies įmagnetinimo laipsnį galima spręsti apie magnetinio lauko, kurį sukuria juo tekanti srovė, dydį.
Fizinis procesas histerezės metu
Išsamiai suprasti histerezės procesą, turite nuodugniai išstudijuoti šias sąvokas:
Kalbant apie medžiagas, kuriose geriausiai pastebimas histerezės efektas, tai yra feromagnetai. Tai mišinys cheminiai elementai, kuris dėl kryptingumo gali įmagnetinti magnetiniai dipoliai, Štai kodėl Paprastai kompozicijoje yra tokių metalų kaip:
- geležies;
- kobaltas;
- nikelis;
- jų pagrindu pagaminti junginiai.
Norėdami pamatyti histerezę, į ritę su feromagnetine šerdimi reikia prijungti kintamąją įtampą. Tuo pačiu metu įmagnetinimo grafikas labai nepriklausys nuo jo dydžio, nes poveikis tiesiogiai priklauso nuo pačios medžiagos savybių ir magnetinio ryšio tarp medžiagos elementų dydžio.
Esminis dalykas, svarstant histerezės koncepciją elektronikoje, yra būtent magnetinė indukcija B, sukuriama aplink ritę, kai įjungiama įtampa. Tai lemia standartinė formulė, kaip magneto sandauga dielektrinė konstanta medžiagos į lauko stiprumo ir įmagnetinimo sumą.
Kad suprastum bendras principas histerezės efektas , turite naudoti tvarkaraštį. Tai rodo įmagnetinimo kilpą iš visiško išmagnetinimo būsenos. Teritorija gali būti pažymėta skaičiais 0-1. Esant pakankamai įtampai ir medžiagos magnetinio lauko poveikio trukmei, grafikas pasiekia kraštutinį tašką palei nurodytą trajektoriją. Procesas atliekamas ne tiesia linija, o išilgai kreivės su tam tikru lenkimu, kuris apibūdina medžiagos savybes. Kuo daugiau medžiagoje magnetinės jungtys tarp molekulių, tuo greičiau jis pasiekia prisotinimą.
Nuėmus įtampą nuo ritės, magnetinio lauko stipris nukrenta iki nulio. Tai sritis 1-2 diagramoje. Šiuo atveju medžiaga, dėl kryptingumo magnetiniai momentai lieka įmagnetintas. Tačiau įmagnetinimo dydis yra šiek tiek mažesnis nei esant soties. Jei toks poveikis pastebimas medžiagoje, tai jis priklauso feromagnetams, galintiems kaupti magnetinį lauką dėl stiprių magnetinių ryšių tarp medžiagos molekulių.
Pasikeitus į ritę tiekiamos įtampos poliškumui, išmagnetinimo procesas tęsiasi ta pačia kreive iki prisotinimo. Tik tokiu atveju dipolių magnetiniai momentai bus nukreipti į vidų atvirkštinė pusė. Naudojant tinklo dažnį, procesas bus periodiškai kartojamas, aprašant grafiką, vadinamą magnetine histerezės kilpa.
Kai feromagnetas pakartotinai įmagnetinamas mažesniu intensyvumu nei prisotintas, galima gauti kreivių šeimą, iš kurios galima sudaryti bendrą grafiką, apibūdinantį medžiagos būseną nuo visiškai išmagnetintos iki visiškai įmagnetintos.
Histerezė yra sudėtinga koncepcija
, apibūdinantis medžiagos gebėjimą kaupti magnetinio lauko energiją ar kitą kiekį dėl esamų magnetinių ryšių tarp medžiagos molekulių arba sistemos veikimo ypatybių. Tačiau tokį poveikį gali turėti ne tik geležies, kobalto ir nikelio lydiniai. Bario titanatas duos šiek tiek kitokį rezultatą, jei bus dedamas į lauką su tam tikru intensyvumu.
Kadangi tai yra feroelektrikas, joje stebima dielektrinė histerezė. Atvirkštinė histerezės kilpa susidaro tada, kai į terpę tiekiama priešingo poliškumo įtampa, o priešingo lauko, veikiančio medžiagą, dydis vadinamas koercine jėga.
Šiuo atveju lauko stiprumas gali būti prieš skirtingus intensyvumus, kurie yra susiję su tikrosios dipolių būsenos ypatumais – magnetiniais momentais po ankstesnio įmagnetinimo. Įvairios priemaišos taip pat turi įtakos procesui esančios medžiagoje. Kuo jų daugiau, tuo sunkiau judinti dipolių sieneles, todėl išlieka vadinamasis liekamasis įmagnetinimas.
Kas turi įtakos histerezės kilpai?
Atrodytų histerezės yra daugiau vidinis poveikis , kurios nesimato ant medžiagos paviršiaus, tačiau tai stipriai priklauso ne tik nuo pačios medžiagos rūšies, bet ir nuo jos mechaninio apdirbimo kokybės bei tipo. Pavyzdžiui, geležis įsotinama esant 1 Oe įtampai, o magnetinis lydinys pasiekia savo kritinis taškas tik po 580e. Kuo daugiau defektų medžiagos paviršiuje, tuo didesnis magnetinio lauko stiprumas, reikalingas, kad ji būtų prisotinta.
Dėl įmagnetinimo ir išmagnetinimo medžiaga išsiskiria šiluminė energija, kuris yra lygus histerezės kilpos plotui. Be to, feromagneto nuostoliai apima veiksmą sūkurinės srovės ir medžiagos magnetinis klampumas. Paprastai tai pastebima, kai magnetinio lauko dažnis keičiasi aukštyn.
Priklausomai nuo feromagneto elgesio aplinkoje su magnetinis laukas, atskirti statinis ir dinaminė histerezė . Pirmasis stebimas esant nominalios įtampos dažniui, tačiau jam didėjant grafiko plotas didėja, o tai taip pat padidina nuostolius.
Kitos savybės
Be magnetinės histerezės, taip pat yra Galvomagnetinis ir magnetostrikcinis poveikis. Šie procesai keičiasi elektrinė varža dėl mechaninės medžiagos deformacijos. Feroelektrikai, veikiami deformacijos jėgų, gali gaminti elektros srovė, kuri paaiškinama pjezoelektrine histereze. Taip pat yra elektrooptinės ir dvigubos dielektrinės histerezės sąvoka. Paskutinis procesas paprastai turi didžiausią susidomėjimą, nes jį lydi dvigubas grafikas zonose, kurios artėja prie prisotinimo taškų.
Histerezės apibrėžimas taikomas ne tik elektronikoje naudojamiems feromagnetams. Šis procesas taip pat gali atsirasti termodinamikoje. Pavyzdžiui, organizuojant šildymą iš dujinio ar elektrinio katilo. Reguliuojantis sistemos komponentas yra termostatas. Tačiau vienintelis kontroliuojamas kintamasis yra vandens temperatūra sistemoje.
Kai jis nukrenta iki iš anksto nustatyto lygio, katilas įsijungia ir pradeda šildyti duota vertė. Tada jis išsijungia ir procesas kartojasi ciklu. Jei šildydami ir vėsindami sistemą matysite temperatūros rodmenis kiekviename šildymo įjungimo ir išjungimo cikle, gausite histerezės kilpos grafiką, vadinamą katilo histereze.
Tokiose sistemose histerezė išreiškiama temperatūra. Pavyzdžiui, jei yra 4°C, o aušinimo skysčio temperatūra nustatyta iki 18°C, tada katilas išsijungs, kai pasieks 22°C. Taigi galite tinkinti bet kokį priimtiną temperatūros režimas patalpose. Termostatas iš tikrųjų yra temperatūros jutiklis arba termostatas, kuris įjungia arba išjungia šildymą, kai atitinkamai pasiekiama apatinė ir viršutinė slenksčiai.
Histerezė pagal apibrėžimą tai yra sistemų, kurios ne iš karto seka taikomas jėgas, savybė. Šių sistemų reakcija priklauso nuo anksčiau veikusių jėgų, tai yra, sistemos priklauso nuo savo istorijos.
|
1 pav. Klasikinė histerezės kilpa. |
Taškas po taško:
|
Kas yra „inžinerinė histerezė“? Skirtingai nuo klasikinės histerezės, „inžinerinę histerezę“ sukelia ne liekamieji reiškiniai sistemoje keičiant proceso kryptį, o staigus pasikeitimas sistemos savybės proceso pradžios ir pabaigos taškuose (pavyzdžiui, kai įsijungia automatika, keičiasi perjungimas/geometrija/logika ir pan. sistemoje).
Pavaizduokime skirtumą. 2 ir 3 paveiksluose parodytos visos klasikinės ir inžinerinės histerezės kreivės. Judant iš taško 0 į tašką 1 skirtumų nėra. Bet!
Panagrinėkime klausimą, kaip elgiasi sistema, kurios kai kuriose savybėse (charakteristikose) yra histerezės, jei judėjimas iš proceso pradžios taško į galutinį tašką nutrūksta kažkur viduryje.
Atkreipkite dėmesį! Klasikinėje histerezėje proceso krypties pasikeitimas sudaro naują histerezės kilpą. „Inžinerinėje histerezėje“, kai nepasiekiama ekstremalūs taškai procesas, nieko panašaus neįvyksta. Prie ko tai prives?
|
4 pav. Nutrauktas procesas „inžinerinės histerezės“ kilpoje. |
|
