Hysterézia v všeobecný pojem(z gréčtiny - zaostávanie) je vlastnosť určitých fyzikálnych, biologických a iných systémov, ktoré reagujú na vhodné vplyvy, pričom sa berú do úvahy Aktuálny stav, ako aj pozadie.
Hysteréza je charakteristická pre tzv „saturácia“ a rôzne trajektórie zodpovedajúcich grafov označujúcich stav systému v tento momentčas. Posledne menované majú nakoniec tvar slučky s ostrým uhlom.
Ak vezmeme do úvahy elektrotechniku konkrétne, tak každé elektromagnetické jadro si po ukončení pôsobenia elektrického prúdu po určitú dobu zachováva svoje vlastné magnetické pole, nazývané zvyškový magnetizmus.
Jeho hodnota závisí predovšetkým od vlastností materiálu: pre kalenú oceľ je výrazne vyššia ako pre mäkké železo.
Ale v každom prípade je fenomén zvyškového magnetizmu prítomný vždy, keď sa jadro premagnetizuje, keď je potrebné ho demagnetizovať na nulu a potom zmeniť pól na opačný.
Akákoľvek zmena smeru prúdu vo vinutí elektromagnetu zahŕňa (v dôsledku prítomnosti vyššie uvedených vlastností materiálu) predbežnú demagnetizáciu jadra. Až potom môže zmeniť svoju polaritu - to je dobre známy fyzikálny zákon.
Na obrátenie magnetizácie v opačnom smere je potrebný vhodný magnetický tok.
Inými slovami: hlavná zmena „nedrží krok“ s príslušnými zmenami magnetický tok, ktoré vinutie rýchlo vytvorí.
Práve toto časové oneskorenie magnetizácie jadra v dôsledku zmien magnetických tokov sa v elektrotechnike nazýva hysterézia.
Každé obrátenie magnetizácie jadra zahŕňa zbavenie sa zvyškového magnetizmu vystavením protismernému magnetickému toku. V praxi to vedie k určitým stratám elektriny, ktoré sa vynakladajú na prekonanie „nesprávnej“ orientácie molekulárnych magnetov.
Tie sa prejavujú vo forme uvoľňovania tepla a predstavujú takzvané náklady na hysterézu.
Oceľové jadrá, napríklad statory alebo armatúry elektromotorov alebo generátorov, ako aj, by teda mali mať čo najnižšiu možnú korelačná sila. Tým sa znížia hysterézne straty a v konečnom dôsledku sa zvýši účinnosť zodpovedajúcej elektrickej jednotky alebo zariadenia. 
Samotný proces magnetizácie je určený zodpovedajúcim grafom - takzvanou hysteréznou slučkou. Predstavuje uzavretú krivku zobrazujúcu závislosť rýchlosti magnetizácie od zmien dynamiky napätia vonkajšie pole.
Veľké námestie slučky teda znamenajú vysoké náklady na reverzáciu magnetizácie.
Tiež takmer vo všetkých elektronické zariadenia Existuje aj taký jav, ako je tepelná hysterézia - nenávratnosť po zahriatí zariadenia pôvodný stav.
B a fenomén hysterézie sa využíva v rôznych magnetických pamäťových médiách (napríklad Schmidtove spúšťače), alebo v špeciálnych hysteréznych elektromotoroch.
Toto je rozšírené fyzický efekt nachádza sa aj v rôznych zariadeniach určených na potlačenie rôznych ruchov (odskakovanie kontaktov, rýchle kmitanie atď.) počas procesu spínania logických obvodov.
Uvažujme o procese striedavej magnetizácie feromagnetického materiálu. Na tento účel navinieme na oceľové jadro a prevlečieme ho D.C.. Predpokladajme, že jadro elektromagnetu nebolo predtým zmagnetizované.
Zvýšenie prúdu prechádzajúceho závitmi vinutia ja od nuly, tým zvýšime magnetizačnú silu a intenzitu poľa H. Hodnota magnetickej indukcie B v jadre sa tiež zvýši. Magnetizačná krivka 0a na obrázku 1 má priamu časť a potom v dôsledku nasýtenia krivka pomaly stúpa a blíži sa k horizontále. Ak teraz, po dosiahnutí bodu A, znížiť H, potom sa zníži a B. Avšak, pokles B pri znižovaní H, to znamená počas demagnetizácie, nastane s oneskorením vzhľadom na pokles H. Rozsah zvyšková indukcia pri H= 0 je charakterizovaný segmentom 0b.
Aby sa magnetická indukcia v jadre stala rovná nule, je potrebné materiál zmagnetizovať v opačnom smere, teda premagnetizovať. Za týmto účelom je smer prúdu vo vinutí obrátený. Smer magnetické čiary a mení sa aj sila magnetického poľa. Pri sile poľa H = 0v indukcia v jadre je nulová a materiál jadra je úplne demagnetizovaný. Hodnota sily poľa H = 0v pri B= 0 je určitá charakteristika materiálu a nazýva sa retardačná (koercitívna) sila.
Opakovaním procesu obrátenia magnetizácie získame uzavretú krivku a b c d e f a, ktorá sa nazýva hysterézna slučka alebo magnetická hysterézna slučka. Hysteréza z gréčtiny znamená zaostalý, retardovaný. Z tohto experimentu je možné ľahko overiť, že magnetizácia a demagnetizácia jadra (vznik a zánik pólov, magnetická indukcia alebo magnetický tok) zaostáva za okamihom objavenia sa a zániku magnetizačnej a demagnetizačnej sily (prúdu v vinutie elektromagnetu). Fenomén hysterézie možno inými slovami charakterizovať ako oneskorenie medzi zmenami magnetickej indukcie a zmenami intenzity poľa. Obrátenie magnetizácie materiálu zahŕňa vynaloženie určitého množstva energie, ktorá sa uvoľňuje vo forme tepla, ktoré ohrieva materiál.
Magnetická hysterézia je obzvlášť závažná, ak materiál jadra má vysoký zvyškový magnetizmus (napríklad tvrdá oceľ). Fenomén hysterézy je vo väčšine prípadov škodlivý. Spôsobuje hysterézne straty vyjadrené v ohreve jadra a zbytočnej spotrebe energie zdroja napätia a je tiež sprevádzaný bzučaním jadra v dôsledku zmien polarity a rotácií elementárne častice materiál jadra.
Prvú serióznu štúdiu procesov magnetizácie ocele uskutočnil Alexander Grigorievich Stoletov (1839 – 1896) v roku 1872 a publikoval ju v práci „O funkcii magnetizácie mäkkého železa“.
A.G. Stoletov okrem toho skúmal a vysvetľoval prírodu vonkajší fotoelektrický efekt a vyrobili prvú fotobunku.
Video 1. Hysteréza
Hysterézia (z gréckeho hysteréza - oneskorenie) je fyzikálny jav, pri ktorom dochádza k oneskoreniu zmeny stavu systému od zmeny fyzikálnej veličiny, ktorá určuje vonkajšie podmienky.
Napríklad oneskorenie zmeny magnetizácie feromagnetika od zmeny intenzity magnetického poľa; oneskorenie zmeny polarizácie feroelektrika od zmeny elektrického poľa.
Pozorované v prípadoch, keď je určený stav systému vonkajšie podmienky nielen v danom časovom okamihu, ale aj v predchádzajúcich okamihoch. Hysteréza sa pozoruje v rôznych odvetviach fyziky. Najdôležitejšie: magnetická hysterézia feroelektrická hysterézia a elastická hysteréza.
Podstatou tento jav možno vysvetliť na príklade termostatu.
Zvážte termostat nastavený na udržiavanie teploty 20 °C pomocou elektrického ohrievača. Ak by bimetalová doska, ktorá riadi ohrievač, ktorý sa deformuje pri zmene teploty, nemala hysterézu, ohrievač by sa veľmi často zapínal a vypínal, čo by viedlo k rýchlemu opotrebovaniu kontaktov. V skutočnosti sa regulátor zapne pri 19 °C a vypne pri približne 21 °C. V tomto prípade mechanická zotrvačnosť bimetalovej platne a tepelná zotrvačnosť ohrievača spôsobujú jav hysterézie, prepínanie režimov prebieha s nízkou frekvenciou a teplota v termostate kolíše v určitom rozsahu blízko nastavená hodnota (ryža. 1).
Obrázok 1
Hysterézia je charakterizovaná fenoménom „sýtosti“, ako aj nepodobnosťou trajektórií medzi extrémnymi stavmi, a preto je v grafoch prítomnosť slučky s ostrým uhlom, ktorá sa nazýva hysterézna slučka. Nejednoznačná závislosť stavu systému od fyzikálnej veličiny (s cyklickou zmenou) je znázornená hysteréznou slučkou ( ryža. 2)
Obrázok 2
V elektronike a elektrotechnike sa používajú zariadenia, ktoré majú magnetickú hysterézu - rôzne magnetické pamäťové médiá, alebo elektrickú hysterézu, napríklad Schmittova spúšť alebo hysterézny motor. Hysterézia sa používa na potlačenie šumu (rýchle kmitanie, odskok kontaktu) pri spínaní logických signálov. Napríklad Schmittova spúšť ( ryža. 3).
Obrázok 3. Hysterézna slučka pre spúšť Schmitt je pravouhlá.
V elektronických zariadeniach všetkých typov sa pozoruje fenomén tepelnej hysterézie: po zahriatí zariadenia a jeho následnom ochladení na počiatočnú teplotu sa jeho parametre nevrátia na počiatočné hodnoty. Vzhľadom na rozdielne tepelná rozťažnosť polovodičových kryštálov, držiakov kryštálov, obalov mikroobvodov a dosiek plošných spojov vznikajú v kryštáloch mechanické napätia, ktoré pretrvávajú aj po ochladení. Fenomén tepelnej hysterézie je najvýraznejší v presných referenciách napätia používaných v meracích analógovo-digitálnych prevodníkoch. V moderných mikroobvodoch je relatívny posun referenčného napätia v dôsledku tepelnej hysterézie rádovo 10-100
Hysterézia je komplexný koncept procesov prebiehajúcich v systémoch a látkach, ktoré sú schopné akumulovať rôzne energie, pričom rýchlosť a intenzita jej nárastu sa líši od krivky jej poklesu po odstránení vplyvu. Preložené z grécky jazyk Pojem hysteréza sa prekladá ako oneskorenie, preto by sa malo chápať ako oneskorenie jedného procesu vo vzťahu k druhému. V tomto prípade nie je vôbec potrebné, aby bol hysterézny efekt charakteristický len pre magnetické médiá.
Táto vlastnosť sa prejavuje v mnohých iných systémoch a prostrediach:
- hydraulika;
- kinematika;
- elektronika;
- biológia;
- hospodárstva.
Koncept sa často používa najmä pri regulácii teplotných pomerov vo vykurovacích systémoch.
Vlastnosti fyzikálneho javu
Zameriame sa na hysterézia v elektronickej technike spojené s magnetickými procesmi v rôzne látky. Ukazuje, ako sa ten či onen materiál správa v elektromagnetickom poli, a to umožňuje zostaviť grafy závislostí a odčítať niektoré prostredia, v ktorých sa tieto materiály nachádzajú. Tento efekt sa používa napríklad pri prevádzke termostatu.
Pri podrobnejšom zvážení konceptu hysterézie a efektu s ňou spojeného si možno všimnúť takúto vlastnosť. Látka s touto vlastnosťou je schopná sa nasýtiť. To znamená, že toto je stav, v ktorom už nie je schopný akumulovať energiu v sebe. A pri zvažovaní procesu na príklade feromagnetických materiálov je energia vyjadrená magnetizáciou, ktorá vzniká v dôsledku existujúceho magnetického spojenia medzi molekulami látky. A vytvárajú magnetické momenty - dipóly, ktoré sú v normálnom stave chaoticky nasmerované.
Magnetizácia v v tomto prípade – ide o adopciu magnetickými momentmi určitého smeru. Ak sú nasmerované chaoticky, potom sa feromagnet považuje za demagnetizovaný. Ale keď sú dipóly nasmerované jedným smerom, materiál je magnetizovaný. Podľa stupňa magnetizácie jadra cievky je možné posúdiť veľkosť magnetického poľa vytvoreného prúdom, ktorý ním preteká.
Fyzikálny proces počas hysterézy
Podrobne pochopiť proces hysterézy, musíte si dôkladne preštudovať nasledujúce pojmy:
Čo sa týka materiálov, pri ktorých je hysterézny efekt najlepšie pozorovateľný, ide o feromagnety. Je to zmes chemické prvky, ktorý je schopný magnetizácie vďaka smerovosti magnetické dipóly, Preto Kompozícia zvyčajne obsahuje kovy, ako sú:
- železo;
- kobalt;
- nikel;
- zlúčeniny na ich základe.
Vidieť hysterézu, musí byť na cievku s feromagnetickým jadrom privedené striedavé napätie. Zároveň graf magnetizácie nebude vo veľkej miere závisieť od jeho veľkosti, pretože účinok priamo závisí od vlastností samotného materiálu a od veľkosti magnetického spojenia medzi prvkami látky.
Základným bodom pri zvažovaní koncepcie hysterézie v elektronike je práve magnetická indukcia B vytvorená okolo cievky pri privedení napätia. Určuje sa podľa štandardný vzorec, ako produkt magnet dielektrická konštanta látok k súčtu intenzity poľa a magnetizácie.
Rozumieť všeobecný princíp hysterézny efekt , musíte použiť rozvrh. Zobrazuje magnetizačnú slučku zo stavu úplnej demagnetizácie. Oblasť môže byť označená číslami 0-1. Pri dostatočnom napätí a trvaní pôsobenia magnetického poľa na materiáli graf dosiahne svoj krajný bod pozdĺž naznačenej trajektórie. Proces sa neuskutočňuje v priamke, ale pozdĺž krivky s určitým ohybom, ktorý charakterizuje vlastnosti materiálu. Čím viac v látke magnetické spojenia medzi molekulami, tým rýchlejšie dosiahne saturáciu.
Po odstránení napätia z cievky intenzita magnetického poľa klesne na nulu. Toto je oblasť na grafe 1-2. V tomto prípade vzhľadom na smerovosť, materiál magnetické momenty zostáva zmagnetizovaná. Ale veľkosť magnetizácie je o niečo nižšia ako pri nasýtení. Ak je takýto účinok pozorovaný v látke, potom patrí k feromagnetom, schopným akumulovať magnetické pole v dôsledku silných magnetických väzieb medzi molekulami látky.
So zmenou polarity napätia privádzaného do cievky proces demagnetizácie pokračuje pozdĺž rovnakej krivky až do nasýtenia. Iba v tomto prípade budú magnetické momenty dipólov smerované dovnútra opačná strana. S frekvenciou siete sa proces bude periodicky opakovať a bude popisovať graf nazývaný magnetická hysterézna slučka.
Keď sa feromagnet opakovane magnetizuje na menšiu intenzitu ako pri nasýtení, možno získať skupinu kriviek, z ktorých možno zostaviť všeobecný graf, ktorý charakterizuje stav látky od úplne demagnetizovanej po úplne zmagnetizovanú.
Hysterézia je komplexný koncept
, charakterizujúce schopnosť látky akumulovať energiu magnetického poľa alebo inej veličiny v dôsledku existujúcich magnetických väzieb medzi molekulami látky alebo prevádzkových vlastností systému. Ale nielen zliatiny železa, kobaltu a niklu môžu mať tento účinok. Titanát bárnatý poskytne mierne odlišný výsledok, ak sa umiestni do poľa s určitou intenzitou.
Keďže ide o feroelektrikum, pozoruje sa v ňom dielektrická hysteréza. Reverzná hysterézna slučka sa vytvorí, keď napätie aplikované na médium má opačnú polaritu a veľkosť opačného poľa pôsobiaceho na materiál sa nazýva koercitívna sila.
V tomto prípade môže intenzita poľa predchádzať rôznym intenzitám, čo súvisí so zvláštnosťami skutočného stavu dipólov - magnetickými momentmi po predchádzajúcej magnetizácii. Proces ovplyvňujú aj rôzne nečistoty obsiahnuté v materiáli. Čím je ich viac, tým je pohyb stenami dipólov náročnejší, takže zostáva takzvaná zvyšková magnetizácia.
Čo ovplyvňuje hysteréznu slučku?
Zdalo by sa, hysteréza je viac vnútorný efekt , ktorý nie je viditeľný na povrchu materiálu, ale silne závisí nielen od typu samotného materiálu, ale aj od kvality a typu jeho mechanického spracovania. Napríklad železo prechádza do nasýtenia pri napätí rovnajúcom sa 1 Oe a magnetická zliatina dosiahne svoje napätie kritický bod len za 580 e. Čím viac defektov je na povrchu materiálu, tým väčšia je intenzita magnetického poľa potrebná na jeho nasýtenie.
V dôsledku magnetizácie a demagnetizácie sa materiál uvoľňuje termálna energia, čo sa rovná ploche hysteréznej slučky. Aj straty vo feromagnetiku zahŕňajú pôsobenie vírivé prúdy a magnetickú viskozitu látky. Toto sa zvyčajne pozoruje, keď sa frekvencia magnetického poľa mení smerom nahor.
V závislosti od charakteru správania sa feromagnetika v prostredí s magnetické pole, rozlišovať statické a dynamická hysterézia . Prvý sa pozoruje pri nominálnej frekvencii napätia, ale ako sa zvyšuje, plocha grafu sa zvyšuje, čo tiež vedie k zvýšeniu strát.
Iné vlastnosti
Okrem magnetickej hysterézie existujú aj galvomagnetické a magnetostrikčné účinky. V týchto procesoch dochádza k zmene elektrický odpor v dôsledku mechanickej deformácie materiálu. Feroelektriká pod vplyvom deformačných síl sú schopné produkovať elektriny, čo sa vysvetľuje piezoelektrickou hysterézou. Existuje aj koncepcia elektro-optickej a dvojitej dielektrickej hysterézie. Posledný proces má zvyčajne najväčší záujem, pretože je sprevádzaný dvojitým grafom v zónach približujúcich sa k bodom nasýtenia.
Definícia hysterézie platí nielen pre feromagnety používané v elektronike. Tento proces môže tiež nastať v termodynamike. Napríklad pri organizovaní vykurovania z plynového alebo elektrického kotla. Regulačným prvkom v systéme je termostat. Ale jedinou regulovanou veličinou je teplota vody v systéme.
Keď klesne na vopred stanovenú úroveň, kotol sa zapne a začne ohrievať na daná hodnota. Potom sa vypne a proces sa opakuje v cykle. Ak pri každom cykle zapínania a vypínania vykurovania odčítate teplotu pri ohreve a chladení systému, dostanete graf vo forme hysteréznej slučky, ktorá sa nazýva hysterézia kotla.
V takýchto systémoch hysteréza je vyjadrená teplotou. Napríklad, ak je 4 °C a teplota chladiacej kvapaliny je nastavená na 18 °C, kotol sa vypne, keď dosiahne 22 °C. Takto si môžete prispôsobiť akékoľvek prijateľné teplotný režim v interiéri. Termostat je v skutočnosti teplotný senzor alebo termostat, ktorý zapína alebo vypína kúrenie pri dosiahnutí dolnej a hornej hranice.
Hysteréza podľa definície je to vlastnosť systémov, ktoré bezprostredne nenasledujú aplikované sily. Reakcia týchto systémov závisí od síl, ktoré pôsobili predtým, to znamená, že systémy závisia od svojej vlastnej histórie.
|
Obrázok 1. Klasická hysterézna slučka. |
Body:
|
Čo je to „inžinierska hysteréza“? Na rozdiel od klasickej hysterézie nie je „technická hysteréza“ spôsobená zvyškovými javmi v systéme pri zmene smeru procesu, ale prudká zmena vlastnosti systému v bodoch začiatku a konca procesu (napríklad pri spustení automatizácie, zmene prepínania/geometrie/logiky atď. v rámci systému).
Ukážme si rozdiel. Obrázky 2 a 3 znázorňujú úplné hysterézne krivky pre klasickú a inžiniersku hysterézu. Pri prechode z bodu 0 do bodu 1 nie sú žiadne rozdiely. Ale!
Zamyslime sa nad otázkou, ako sa zachová systém, ktorý má v niektorých vlastnostiach (charakteristikách) hysterézu, ak sa niekde v strede preruší proces presunu z počiatočného bodu procesu do koncového bodu.
Poznámka! Pri klasickej hysteréze zmena smeru procesu vytvára novú hysteréznu slučku. V „inžinierskej hysteréze“, keď sa nedosahuje extrémne body procesu, nič také sa nedeje. Kam to vedie?
|
Obrázok 4. Prerušený proces na slučke „inžinierskej hysterézy“. |
|
