Histerezis Genel kavram(Yunanca'dan - geride kalmak), dikkate alınarak uygun etkilere yanıt veren belirli fiziksel, biyolojik ve diğer sistemlerin bir özelliğidir. mevcut durum ve arka plan.
Histerezis sözde karakteristiktir "doygunluk" ve sistemin durumunu belirten karşılık gelen grafiklerin çeşitli yörüngeleri şu an zaman. İkincisi sonuçta dar açılı bir döngü şekline sahiptir.
Elektrik mühendisliğini özel olarak ele alırsak, elektrik akımına maruz kalmanın sona ermesinden sonra her elektromanyetik çekirdek, artık manyetizma adı verilen kendi manyetik alanını bir süre korur.
Değeri her şeyden önce malzemenin özelliklerine bağlıdır: sertleştirilmiş çelik için yumuşak demirden önemli ölçüde daha yüksektir.
Ancak, her durumda, artık mıknatıslanma olgusu, çekirdek yeniden mıknatıslandığında, onu sıfıra kadar demanyetize etmek ve ardından kutbu zıt kutba değiştirmek gerektiğinde her zaman mevcuttur.
Elektromıknatıs sargısındaki akımın yönündeki herhangi bir değişiklik, (yukarıdaki malzeme özelliklerinin varlığından dolayı) çekirdeğin ön manyetikliğini gidermeyi içerir. Ancak bundan sonra kutupluluğunu değiştirebilir - bu iyi bilinen bir fizik yasasıdır.
Mıknatısın ters yöne çevrilmesi için uygun bir manyetik akı gereklidir.
Başka bir deyişle: temel değişiklik, karşılık gelen değişikliklere "ayak uyduramıyor" manyetik akı sarmanın hızla oluşturduğu.
Elektrik mühendisliğinde histerezis adı verilen manyetik akıdaki değişiklikler nedeniyle çekirdeğin mıknatıslanmasında meydana gelen bu zaman gecikmesidir.
Çekirdeğin her mıknatıslanma tersine çevrilmesi, ters yönlü bir manyetik akıya maruz bırakılarak artık manyetizmanın ortadan kaldırılmasını içerir. Uygulamada bu, moleküler mıknatısların "yanlış" yöneliminin üstesinden gelmek için harcanan belirli elektrik kayıplarına yol açar.
İkincisi kendilerini ısı salınımı şeklinde gösterir ve histerezis maliyetlerini temsil eder.
Bu nedenle, elektrik motorlarının veya jeneratörlerin statorları veya armatürleri gibi çelik çekirdeklerin yanı sıra mümkün olan en düşük değere sahip olması gerekir. korelasyon gücü. Bu, histerezis kayıplarını azaltacak ve sonuçta ilgili elektrik ünitesinin veya cihazın verimliliğini artıracaktır. 
Mıknatıslanma sürecinin kendisi, histerezis döngüsü adı verilen ilgili grafik tarafından belirlenir. Mıknatıslanma hızının gerilim dinamiğindeki değişikliklere bağımlılığını gösteren kapalı bir eğriyi temsil eder. dış alan.
Büyük meydan döngüler dolayısıyla mıknatıslanmanın tersine çevrilmesi için yüksek maliyetler anlamına gelir.
Ayrıca hemen hemen hepsinde elektronik aletler Ayrıca termal histerezis gibi bir olgu da vardır - ekipmanın ısınmasından sonra geri dönüşün olmaması orijinal durum.
B ve histerezis olgusu, çeşitli manyetik depolama ortamlarında (örneğin, Schmidt tetikleyicileri) veya özel histerezis elektrik motorlarında kullanılır.
Bu yaygın fiziksel etki aynı zamanda mantık devrelerinin anahtarlanması işlemi sırasında çeşitli gürültüleri (temas sıçraması, hızlı salınımlar vb.) bastırmak için tasarlanmış çeşitli cihazlarda da bulunur.
Ferromanyetik bir malzemenin alternatif mıknatıslanma sürecini ele alalım. Bu amaçla çelik bir çekirdeğe bir sarım saracağız ve içinden geçireceğiz. DC. Elektromıknatısın çekirdeğinin daha önce mıknatıslanmadığını varsayalım.
Sargının dönüşlerinden geçen akımın arttırılması BEN sıfırdan başlayarak mıknatıslama kuvvetini ve alan gücünü artıracağız H. Manyetik indüksiyon değeri Bçekirdekte de artacaktır. Mıknatıslanma eğrisi 0aŞekil 1'deki düz bir kısım vardır ve daha sonra doygunluk nedeniyle eğri yavaşça yükselerek yataya yaklaşır. Şimdi ise, noktaya ulaşmış olmak A, azaltmak H sonra azalacak ve B. Ancak azalma B azalırken H yani manyetikliğin giderilmesi sırasında azalmaya göre bir gecikmeyle meydana gelecektir. H. Büyüklük artık indüksiyon en H= 0 segment ile karakterize edilir 0b.
Çekirdekteki manyetik indüksiyonun gerçekleşmesi için sıfıra eşit malzemeyi ters yönde mıknatıslamak yani yeniden mıknatıslamak gerekir. Bu amaçla sargıdaki akımın yönü tersine çevrilir. Yön manyetik çizgiler ve manyetik alan kuvveti de değişir. Alan gücünde H = 0vçekirdekteki indüksiyon sıfırdır ve çekirdek malzemesi tamamen manyetikliği giderilmiştir. Alan gücü değeri H = 0v en B= 0 malzemenin belirli bir özelliğidir ve geciktirici (zorlayıcı) kuvvet olarak adlandırılır.
Mıknatıslanmanın tersine çevrilmesi işlemini tekrarlayarak kapalı bir eğri elde ederiz a b c d e f a buna histerezis döngüsü veya manyetik histerezis döngüsü denir. Yunancadan gelen histerezis, geri kalmış, geri kalmış anlamına gelir. Bu deneyden, çekirdeğin mıknatıslanmasının ve manyetikliğinin giderilmesinin (kutupların ortaya çıkması ve kaybolması, manyetik indüksiyon veya manyetik akı), mıknatıslama ve manyetikliği giderme kuvvetinin (kutuptaki akım) ortaya çıkma ve kaybolma anının gerisinde kaldığını doğrulamak kolaydır. elektromıknatıs sargısı). Histerezis olgusu, başka bir deyişle, manyetik indüksiyondaki değişiklikler ile alan gücündeki değişiklikler arasındaki gecikme olarak karakterize edilebilir. Bir malzemenin mıknatıslanmasının tersine çevrilmesi, malzemeyi ısıtan ısı şeklinde salınan belirli bir miktarda enerjinin harcanmasını içerir.
Manyetik histerezis, eğer çekirdek malzeme yüksek artık manyetizmaya sahipse (örneğin sert çelik) özellikle şiddetlidir. Histerezis olgusu çoğu durumda zararlıdır. Çekirdek ısınması ve voltaj kaynağının gereksiz güç tüketimi olarak ifade edilen histerezis kayıplarına neden olur ve ayrıca polarite değişiklikleri ve dönüşler nedeniyle çekirdek uğultusuna da eşlik eder. temel parçacıklarçekirdek malzemesi.
Çeliğin mıknatıslanma süreçlerine ilişkin ilk ciddi çalışma, 1872'de Alexander Grigorievich Stoletov (1839 - 1896) tarafından gerçekleştirildi ve "Yumuşak demirin mıknatıslanma işlevi üzerine" çalışmasında yayınlandı.
A.G. Stoletov ayrıca doğayı araştırdı ve açıkladı harici fotoelektrik etki ve ilk fotoseli yaptı.
Video 1. Histerezis
Histerezis (Yunanca histerezis - gecikmeden), dış koşulları belirleyen fiziksel nicelikteki bir değişiklikten sistemin durumundaki değişiklikte bir gecikmenin olduğu fiziksel bir olgudur.
Örneğin, bir ferromıknatısın mıknatıslanmasında manyetik alan gücündeki bir değişiklikten kaynaklanan değişikliğin gecikmesi; ferroelektriğin polarizasyonundaki değişikliğin elektrik alanındaki değişiklikten gecikmesi.
Sistemin durumunun belirlendiği durumlarda gözlemlenir dış koşullar yalnızca belirli bir anda değil, aynı zamanda önceki anlarda da. Histerezis fiziğin çeşitli dallarında görülmektedir. En önemli: manyetik histerezis, ferroelektrik histerezis ve elastik histerezis.
Öz bu olgu termostat örneğiyle açıklanabilir.
Elektrikli bir ısıtıcı kullanarak sıcaklığı 20°C'de tutacak şekilde ayarlanmış bir termostat düşünün. Sıcaklık değiştiğinde deforme olan ısıtıcıyı kontrol eden bimetalik plaka histerezis olmasaydı ısıtıcı çok sık açılıp kapanacak ve bu da kontakların çabuk aşınmasına neden olacaktı. Gerçekte regülatör 19 °C'de açılır ve yaklaşık 21 °C'de kapanır. Bu durumda, bimetalik plakanın mekanik ataleti ve ısıtıcının termal ataleti histerezis olgusuna yol açar, mod değişimi düşük frekansta gerçekleşir ve termostattaki sıcaklık yakın bir aralıkta dalgalanır. değeri belirle (pirinç. 1).
Resim 1
Histerezis, "doygunluk" olgusunun yanı sıra aşırı durumlar arasındaki yörüngelerin farklılığı, dolayısıyla grafiklerde histerezis döngüsü adı verilen dar açılı bir döngünün varlığı ile karakterize edilir. Sistemin durumunun fiziksel bir niceliğe (döngüsel değişimle birlikte) belirsiz bağımlılığı bir histerezis döngüsü ( pirinç. 2)
şekil 2
Elektronik ve elektrik mühendisliğinde, manyetik histerezis - çeşitli manyetik depolama ortamları veya elektriksel histerezis, örneğin bir Schmitt tetikleyici veya bir histerezis motoru olan cihazlar kullanılır. Histerezis, mantık sinyallerini değiştirirken gürültüyü (hızlı salınımlar, kontak sıçraması) bastırmak için kullanılır. Örneğin, bir Schmitt tetikleyicisi ( pirinç. 3).
Şekil 3. Schmitt tetikleyicisinin histerezis döngüsü dikdörtgen şeklindedir.
Her türden elektronik cihazlarda, termal histerezis olgusu gözlenir: cihazın ısıtılmasından ve ardından başlangıç sıcaklığına soğutulmasından sonra parametreleri geri dönmez. başlangıç değerleri. Farklı nedeniyle termal Genleşme Yarı iletken kristaller, kristal tutucular, mikro devre paketleri ve baskılı devre kartları nedeniyle kristallerde soğuduktan sonra bile devam eden mekanik gerilimler ortaya çıkar. Termal histerezis olgusu en çok analog-dijital dönüştürücülerin ölçümünde kullanılan hassas voltaj referanslarında fark edilir. Modern mikro devrelerde, termal histerezis nedeniyle referans voltajının göreceli kayması 10-100 civarındadır.
Histerezis, çeşitli enerjileri biriktirebilen sistemlerde ve maddelerde meydana gelen karmaşık bir süreç kavramıdır; artış hızı ve yoğunluğu, etki ortadan kaldırıldığında azalma eğrisinden farklıdır. Çeviren: Yunan Dili Histerezis kavramı gecikme olarak tercüme edilir, bu nedenle bir sürecin diğerine göre gecikmesi olarak anlaşılmalıdır. Bu durumda histerezis etkisinin yalnızca manyetik ortama özgü olması kesinlikle gerekli değildir.
Bu özellik diğer birçok sistem ve ortamda kendini gösterir:
- hidrolik;
- kinematik;
- elektronik;
- Biyoloji;
- ekonomi.
Konsept özellikle ısıtma sistemlerindeki sıcaklık koşullarını düzenlerken sıklıkla kullanılır.
Fiziksel olgunun özellikleri
odaklanacağız elektronik teknolojisinde histerezis manyetik süreçlerle ilgili çeşitli maddeler. Şu ya da bu malzemenin elektromanyetik alanda nasıl davrandığını gösterir ve bu da kişinin bağımlılık grafikleri oluşturmasına ve aynı malzemelerin bulunduğu ortamlara ilişkin bazı okumalar yapmasına olanak tanır. Örneğin bu etki bir termostatın çalışmasında kullanılır.
Histerezis kavramı ve bununla ilişkili etki daha ayrıntılı olarak ele alındığında böyle bir özellik fark edilebilir. Bu özelliğe sahip bir madde doymuş hale gelebilir. Yani bu artık kendi içinde enerji biriktiremediği bir durumdur. Ferromanyetik malzemeler örneğini kullanarak süreç göz önüne alındığında, enerji, maddenin molekülleri arasındaki mevcut manyetik bağlantı nedeniyle ortaya çıkan mıknatıslanma ile ifade edilir. Ve normal durumda kaotik bir şekilde yönlendirilen manyetik momentler - dipoller yaratırlar.
Mıknatıslanma bu durumda – bu, belirli bir yöndeki manyetik momentlerin benimsenmesidir. Düzensiz bir şekilde yönlendirilirlerse, ferromıknatısın manyetikliği giderilmiş olduğu kabul edilir. Ancak dipoller bir yöne yönlendirildiğinde malzeme mıknatıslanır. Bobin çekirdeğinin mıknatıslanma derecesine göre, içinden akan akımın yarattığı manyetik alanın büyüklüğü değerlendirilebilir.
Histerezis sırasındaki fiziksel süreç
Histerezis sürecini ayrıntılı olarak anlamak, aşağıdaki kavramları iyice incelemeniz gerekir:
Histerezis etkisinin en iyi gözlemlendiği malzemeler ise ferromıknatıslardır. Bu bir karışım kimyasal elementler yönlülük nedeniyle mıknatıslanma yeteneğine sahip olan manyetik dipoller, Bu yüzden Genellikle bileşim aşağıdaki gibi metalleri içerir:
- ütü;
- kobalt;
- nikel;
- bunlara dayanan bileşikler.
Histerezi görmek için ferromanyetik çekirdekli bobine alternatif bir voltaj uygulanmalıdır. Aynı zamanda, mıknatıslanma grafiği büyüklüğüne büyük ölçüde bağlı olmayacaktır, çünkü etki doğrudan malzemenin özelliklerine ve maddenin elemanları arasındaki manyetik bağlantının büyüklüğüne bağlıdır.
Elektronikte histerezis kavramını değerlendirirken temel nokta, gerilim uygulandığında bobin çevresinde oluşturulan manyetik indüksiyon B'dir. Tarafından belirlenir standart formül manyetik çarpım olarak dielektrik sabiti Maddelerin alan kuvveti ve mıknatıslanma toplamına oranı.
Anlamak Genel prensip histerezis etkisi , programı kullanmanız gerekir. Tam manyetiklik giderme durumundan bir mıknatıslanma döngüsü gösterir. Alan 0-1 arası sayılarla belirlenebilir. Yeterli voltaj ve malzeme üzerindeki manyetik alana maruz kalma süresi ile grafik, belirtilen yörünge boyunca en uç noktasına ulaşır. İşlem düz bir çizgide değil, malzemenin özelliklerini karakterize eden belirli bir kıvrıma sahip bir eğri boyunca gerçekleştirilir. Bir maddede daha fazla manyetik bağlantılar Moleküller arasında doygunluğa o kadar hızlı ulaşır.
Bobinden gerilim kaldırıldıktan sonra manyetik alan kuvveti sıfıra düşer. Bu, grafik 1-2'deki alandır. Bu durumda yönlülük nedeniyle malzeme manyetik anlar mıknatıslanmış halde kalır. Ancak mıknatıslanmanın büyüklüğü doygunluktakinden biraz daha düşüktür. Bir maddede böyle bir etki gözlenirse, o zaman maddenin molekülleri arasındaki güçlü manyetik bağlar nedeniyle manyetik alan biriktirebilen ferromıknatıslara aittir.
Bobine sağlanan voltajın polaritesindeki bir değişiklikle manyetiklik giderme işlemi aynı eğri boyunca devam eder. doygunluğa kadar. Sadece bu durumda dipollerin manyetik momentleri şu yöne yönlendirilecektir: ters taraf. Ağ frekansıyla birlikte süreç, manyetik histerezis döngüsü adı verilen bir grafiği tanımlayarak periyodik olarak tekrarlanacaktır.
Bir ferromıknatıs, doygun hale göre daha düşük bir yoğunluğa tekrar tekrar mıknatıslandığında, maddenin tamamen manyetikliği giderilmiş durumdan tamamen mıknatıslanmış durumuna kadar durumunu karakterize eden genel bir grafiğin oluşturulabileceği bir eğri ailesi elde edilebilir.
Histerezis karmaşık kavram
, bir maddenin, maddenin molekülleri arasındaki mevcut manyetik bağlar veya sistemin çalışma özellikleri nedeniyle bir manyetik alanın enerjisini veya başka bir miktarı biriktirme yeteneğini karakterize eden. Ancak yalnızca demir, kobalt ve nikel alaşımları bu etkiye sahip olamaz. Baryum titanat belirli yoğunlukta bir alana konulduğunda biraz farklı sonuç verecektir.
Ferroelektrik olduğundan dielektrik histerezis gözlenir. Ortama uygulanan voltaj zıt kutuplarda olduğunda ters histerezis döngüsü oluşur ve malzemeye etki eden zıt alanın büyüklüğüne zorlayıcı kuvvet denir.
Bu durumda, alan kuvveti, dipollerin gerçek durumunun özellikleriyle (önceki mıknatıslanmadan sonraki manyetik momentler) ilişkili olan farklı yoğunluklardan önce gelebilir. Çeşitli yabancı maddeler de süreci etkiler malzeme içerisinde yer almaktadır. Bunların sayısı ne kadar fazla olursa, dipollerin duvarlarını hareket ettirmek o kadar zor olur, dolayısıyla artık mıknatıslanma denilen şey kalır.
Histerezis döngüsünü ne etkiler?
Öyle görünüyor ki, histerezis daha fazladır iç etki malzemenin yüzeyinde görünmeyen, ancak yalnızca malzemenin türüne değil, aynı zamanda mekanik işlemenin kalitesine ve türüne de büyük ölçüde bağlıdır. Örneğin demir 1 Oe'ye eşit bir voltajda doyuma girer ve manyetik alaşım en yüksek noktasına ulaşır. kritik nokta sadece 580 e. Bir malzemenin yüzeyinde ne kadar çok kusur varsa, onu doygunluğa getirmek için gereken manyetik alan gücü de o kadar büyük olur.
Mıknatıslanma ve demanyetizasyon sonucunda malzeme serbest kalır. Termal enerji histerezis döngüsünün alanına eşittir. Ayrıca bir ferromıknatıstaki kayıplar, eylemi de içerir. girdap akımları ve maddenin manyetik viskozitesi. Bu genellikle manyetik alanın frekansı yukarı doğru değiştiğinde gözlemlenir.
Ferromıknatısın bir ortamdaki davranışının doğasına bağlı olarak manyetik alan, ayırt etmek statik ve dinamik histerezis . Birincisi nominal gerilim frekansında gözlenir ancak arttıkça grafiğin alanı artar ve bu da kayıpların artmasına neden olur.
Diğer özellikler
Manyetik histerezisin yanı sıra, ayrıca galvomanyetik ve manyetostriktif etkiler. Bu süreçlerde değişiklik var elektrik direnci Malzemenin mekanik deformasyonu nedeniyle. Deformasyon kuvvetlerinin etkisi altındaki ferroelektrikler üretebilir elektrik Piezoelektrik histerezis ile açıklanmaktadır. Ayrıca elektro-optik ve çift dielektrik histerezis kavramı da vardır. Son süreç Doyma noktalarına yaklaşan bölgelerde çift grafik eşlik ettiğinden genellikle en büyük ilgiyi çeker.
Histerezis tanımı yalnızca elektronikte kullanılan ferromıknatıslar için geçerli değildir. Bu süreç de gerçekleşebilir termodinamikte. Örneğin, bir gaz veya elektrikli kazandan ısıtmayı organize ederken. Sistemdeki düzenleyici bileşen termostattır. Ancak kontrol edilen tek değişken sistemdeki suyun sıcaklığıdır.
Önceden belirlenen seviyeye düştüğünde kazan açılır ve ısıtmaya başlar. verilen değer. Daha sonra kapanır ve işlem bir döngü halinde tekrarlanır. Isıtmayı açıp kapattığınız her döngüde sistemi ısıtırken ve soğuturken sıcaklık okumaları alırsanız, kazan histerezi adı verilen histerezis döngüsü şeklinde bir grafik elde edersiniz.
Bu tür sistemlerde histerezis sıcaklıkla ifade edilir. Örneğin, eğer sıcaklık 4°C ise ve soğutucu sıcaklığı 18°C'ye ayarlanmışsa, kombi 22°C'ye ulaştığında kapanacaktır. Böylece, kabul edilebilir herhangi bir şeyi özelleştirebilirsiniz. sıcaklık rejimi içeride. Termostat aslında alt ve üst eşiklere ulaşıldığında ısıtmayı açıp kapatan bir sıcaklık sensörü veya termostattır.
Histerezis Tanım gereği uygulanan kuvvetleri hemen takip etmeyen sistemlerin bir özelliğidir. Bu sistemlerin tepkisi daha önce etki eden kuvvetlere, yani sistemler kendi geçmişlerine bağlıdır.
|
Şekil 1. Klasik histerezis döngüsü. |
Puanlar:
|
"Mühendislik histerisi" nedir? Klasik histerezisin aksine, "mühendislik histerezisi", sürecin yönünü değiştirirken sistemdeki artık olaylardan kaynaklanmaz, ancak ani değişim sürecin başlangıç ve bitiş noktalarındaki sistem özellikleri (örneğin otomasyonun tetiklenmesi, sistem içerisinde anahtarlama/geometri/mantık değişimi vb.).
Farkı açıklayalım. Şekil 2 ve 3, klasik ve mühendislik histerezisine ilişkin histerezis eğrilerinin tamamını göstermektedir. 0 noktasından 1 noktasına giderken hiçbir fark yoktur. Ancak!
Bazı özelliklerinde (karakteristiklerinde) histerisi olan bir sistemin, sürecin başlangıç noktasından bitiş noktasına doğru ilerleme süreci ortada bir yerde kesintiye uğrarsa nasıl davranacağı sorusunu ele alalım.
Not! Klasik histereziste sürecin yönündeki bir değişiklik yeni bir histerezis döngüsü oluşturur. Başarılamadığında "mühendislik histerezisinde" uç noktalar süreçte öyle bir şey olmuyor. Nereye gidiyor?
|
Şekil 4. “Mühendislik histerezisi” döngüsünde kesintiye uğrayan süreç. |
|
