Для различных физических, химических, экономических и даже социальных явлений свойственен эффект запаздывания реакции. Данное явление возникает в следствии реакции на определенное раздражение, действие или воздействие. Статья даст подробное описание, что такое гистерезис. Опишет самые распространенные его варианты, влияние этого эффекта в электротехнике и электронике.
Гистерезис магнитный
Это необратимая и неоднозначная зависимость показателя намагниченности вещества (причем это, как правило, ферромагнетики магнитоупорядоченные) от внешнего магнитного поля. При этом поле постоянно изменяется – уменьшается или увеличивается. Общая причина существования гистерезиса – это наличие в минимуме термодинамического потенциала нестабильного состояния и стабильного, а также имеются необратимые переходы между ними. Гистерезис – это также проявление магнитного ориентационного фазового перехода 1-го рода. При них переходы от одной к другой фазам происходят из-за метастабильных состояний. Характеристика – это график, который носит название «петля гистерезиса». Иногда еще его называют «кривой намагниченности».
Гистерезис в электронике
В электротехнике и электронике свойством гистерезиса пользуются устройства, которые используют различные магнитные взаимодействия. Например, магнитные носители информации или триггер Шмитта.
Это свойство необходимо знать, чтобы использовать его для подавления шумов в момент переключения определенных логических сигналов (дребезга контактов, быстрых колебаний).
Упругий гистерезис бывает двух видов: динамический и статический. В первом случае график будет изображать постоянно изменяющуюся петлю, во втором – равномерную.
Наиболее заметно это явление в прецизионных источниках опорного напряжения, которые используются в измерительных преобразователях.
Петля гистерезиса
На графике зависимости М от Н можно видеть:
- Из нулевого состояния, при котором М=0 и Н=0, с увеличением Н растет и М.
- Когда поле увеличивается, то намагниченность становится практически постоянной и равна значению насыщения.
- При уменьшении Н происходит обратное изменение, но вот когда Н=0, намагниченность М не будет равна нулю. Это изменение можно видеть по кривой размагничивания. И когда Н=0, М принимает значение, равное остаточной намагниченности.
- При увеличении Н в интервале –Нт… +Нт происходит изменение намагниченности вдоль третьей кривой.
- Все три кривые, описывающие процессы, соединяются и образуют своеобразную петлю. Она-то и описывает явление гистерезиса – процессы намагничивания и размагничивания.
Энергия намагничивания
Петля считается несимметричной в том случае, когда максимумы поля Н1, которые прикладываются в обратном и прямом направлениях, не являются одинаковыми. Выше была описана петля, которая характерна для медленного процесса перемагничивания. При них происходит сохранение квазиравновесных связей между значениями Н и М. Нужно обратить внимание на то, что при намагничивании или размагничивании происходит отставание М от Н. И это приводит к тому, что вся та энергия, которая приобретается ферромагнитным материалом во время намагничивания, отдается не полностью при прохождении цикла размагничивания. И вот эта разница идет вся в нагрев ферромагнетика. И петля магнитного гистерезиса оказывается в этом случае несимметричной.
ГИСТЕРЕ́ЗИС
ГИСТЕРЕ́ЗИС (от греч. ὑστέρησις – отставание, запаздывание), запаздывание изменения физич. величины, характеризующей состояние вещества, от изменения др. физич. величины, определяющей внешние условия. Г. имеет место в тех случаях, когда состояние тела в данный момент времени определяется внешними условиями не только в тот же, но и в предшествующие моменты времени. В результате для циклич. процесса (рост и уменьшение внешнего воздействия) получается петлеобразная (неоднозначная) диаграмма, которая называется петлёй гистерезиса. Возникает Г. в разл. веществах и при разных физич. процессах. Наибольший интерес представляют магнитный, сегнетоэлектрический и упругий гистерезис.
Магнитный Г. – неоднозначная зависимость намагниченности $\boldsymbol M$ магнитоупорядоченного вещества (магнетика, напр., ферро- или ферримагнетика) от внешнего магнитного поля $\boldsymbol H$ при его циклич. изменении (увеличении и уменьшении). Причиной существования магнитного Г. является наличие в определённом интервале изменения $\boldsymbol H$ среди состояний магнетика, отвечающих минимуму термодинамич. потенциала, метастабильных состояний (наряду со стабильными) и необратимых переходов между ними. Магнитный Г. можно также рассматривать как проявление магнитных ориентационных фазовых переходов 1-го рода, для которых прямой и обратный переходы между фазами в зависимости от $\boldsymbol H$ происходят, в силу указанной метастабильности состояний, при разл. значениях $\boldsymbol H$.
Рис. 1. Петли магнитного гистерезиса:1 – максимальная, 2 – частная; а – кривая намагничивания, б и в – кривые перемагничивания; МR – остаточная намагниченность, Нс – коэрцитивная сила, Ms – намагничен…
На рис. 1 схематически показана типичная зависимость $M$ от $H$ в ферромагнетике; из состояния $M=0$ при $H=0$ с увеличением $H$ значение $M$ растёт (осн. кривая намагничивания, $\it а$) и в достаточно сильном поле $H⩾H_{\text m}$ $M$ становится практически постоянной и равной намагниченности насыщения $M_{\text s}$. При уменьшении $H$ от значения $H_{\text m}$ намагниченность изменяется вдоль ветви $\it б$ и при $H=0$ принимает значение $M=M_{\text R}$ (остаточная намагниченность). Для размагничивания вещества ($M=0$) необходимо приложить обратное поле $H= –H_{\text c}$, называемое коэрцитивной силой. Далее при $H=–H_{\text m}$ образец намагничивается до насыщения ($M=–M_{\text s}$) в обратном направлении. При изменении $H$ от $–H_{\text m}$ до $+H_{\text m}$ намагниченность изменяется вдоль кривой $\it в$. Ветви $\it б$ и $\it в$, получающиеся при изменении $H$ от $+H_{\text m}$ до $–H_{\text m}$ и обратно, образуют замкнутую кривую, называемую максимальной (или предельной) петлёй Г. Ветви $\it б$ и $\it в$ называются, соответственно, нисходящей и восходящей ветвями петли Г. При изменении $H$ на отрезке $[–H_1, H_1]$ с $H_1$ зависимость $M(H)$ описывается замкнутой кривой (частной петлёй Г.), целиком лежащей внутри макс. петли гистерезиса.
Описанные петли Г. характерны для достаточно медленных (квазистатических) процессов перемагничивания. Отставание $M$ от $H$ при намагничивании и размагничивании приводит к тому, что энергия, приобретаемая магнетиком при намагничивании, не полностью отдаётся при paзмагничивании. Теряемая за один цикл энергия определяется площадью петли Г. Эти потери энергии называются гистерезисными. При динамич. перемагничивании образца переменным магнитным полем $\boldsymbol H_{\sim}$ петля Г. оказывается шире статической вследствие того, что к квазиравновесным гистерезисным потерям добавляются динамические, которые могут быть связаны с вихревыми токами (в проводниках) и релаксационными явлениями.
Форма петли Г. и наиболее важные характеристики магнитного Г. (гистерезисные потери, $H_с$, $M_{\text R}$ и др.) зависят от химич. состава вещества, его структурного состояния и темп-ры, от характера и распределения дефектов в образце, а следовательно, от технологии его пригoтовления и последующих физич. обработок (тепловой, механич., термомагнитной и др.). С магнитным Г. связано гистерезисное поведение целого ряда др. физич. свойств, напр. Г. магнитострикции, Г. гальваномагнитных и магнитооптич. явлений и т. д.
Сегнетоэлектрический Г. – неоднозначная зависимость величины вектора электрич. поляризации $\boldsymbol P$ сегнетоэлектриков от напряжённости $\boldsymbol E$ внешнего электрич. поля при циклич. изменении последнего. Сегнетоэлектрики обладают в определённом температурном интервале спонтанной (т. е. самопроизвольной, возникающей в отсутствие внешнего поля) поляризацией $\boldsymbol P_{сп}$. Направление поляризации может быть изменено электрич. полем, при этом значение $\boldsymbol P$ при данном $\boldsymbol E$ зависит от предыстории, т. е. от того, каким было электрич. поле в предшествующие моменты времени. Сегнетоэлектрич. Г. имеет вид характерной петли (петля Г.), осн. параметрами которой являются остаточная поляризация $\boldsymbol P_{ост}$ при $\boldsymbol E=0$ и коэрцитивное поле $\boldsymbol E_к$, при котором происходит изменение направления (переключение) вектора $\boldsymbol P_{сп}$. Для совершенных монокристаллов петля Г. имеет форму, близкую к прямоугольной, и $\boldsymbol P_{ост}=\boldsymbol P_{сп}$. В реальных кристаллах остаточная поляризация меньше спонтанной из-за разбиения кристалла на домены.
Существование сегнетоэлектрич. Г. следует из феноменологич. теории сегнетоэлектрич. явлений, в соответствии с которой равновесным значениям $\boldsymbol P_{сп}$ при любой темп-ре ниже темп-ры сегнетоэлектрич. фазового перехода отвечают два симметричных минимума термодинамич. потенциала, разделённые потенциальным барьером. При $E=±E_к$ один из минимумов исчезает, и кристалл оказывается в состоянии с определённым направлением вектора $\boldsymbol P_{сп}$. При циклич. переключении спонтанной поляризации площадь петли Г. определяет гистерезисные потери – количество энергии электрич. поля, переходящей в теплоту. Величина коэрцитивного поля связана также с процессами зарождения и эволюции в электрич. поле сегнетоэлектрич. доменов – областей кристалла с выделенным электрич. полем направлением вектора спонтанной поляризации.
Рис. 2. Петля упругого гистерезиса.
Упругий Г. – неоднозначная зависимость механического напряжения от деформации упругого тела при циклич. приложении и снятии нагрузки. График зависимости напряжения $σ$ от деформации $ε$ отличается от отрезка прямой линии, соответствующей закону Гука, и представляет собой петлю Г. (рис. 2). Площадь этой петли пропорциональна механической энергии, которая рассеялась (превратилась в теплоту) во время цикла.
Появление упругого Г. в металлах связано с тем, что в некоторых зёрнах поликристалла микронапряжения существенно превышают ср. напряжения в образце, что приводит к появлению пластич. деформаций и тем самым к рассеянию механич. энергии. В некоторых случаях вклад в упругий Г. дают электромагнитные явления.
Упругий Г. как проявление отличия реального упругого тела от идеально упругого наблюдается у всех твёрдых тел, даже при весьма низких темп-рах. Упругий Г. является причиной затухания свободных колебаний упругих тел, затухания в них звука, уменьшения коэф. восстановления при неупругом ударе и др. В общем случае отклонение упругости от идеальной включается в понятие внутреннего трения.
Гистерезисные потери
Во время динамического перемагничивания ферромагнетика переменным магнитным полем наблюдаются потери. Причем они составляют лишь малую долю от полных магнитных потерь. Если петли имеют одинаковую высоту (одинаковое максимальное значение намагниченности М), петля динамического вида оказывается шире статической. Происходит это вследствие того, что ко всем потерям добавляются новые. Это динамические потери, они обычно связаны с вихревым током, магнитной вязкостью. В сумме же получаются достаточно существенные потери на гистерезис.
Свойства ферромагнитных материалов. Гистерезис
Если среда способна намагничиваться в магнитном поле, т.е. создавать собственное магнитное поле, то такая среда называется магнетиком. В самом деле, если ненамагниченный магнетик поместить в магнитное поле с индукцией , то он намагничивается и дает добавочную индукцию поля´, которая векторно складывается с первоначальной индукцией , т.е. ´.
Векторная сумма называется вектором магнитной индукции внутри магнетика.
Вещества, для которых ´ совпадает по направлению с , называются парамагнетиками. Внутри парамагнетиков магнитное поле усиливаются.
Вещества, для которых ´ и противоположны по направлению, называются диамагнетиками. Магнитное поле внутри диамагнетиков ослабляются. Для парамагнетиков (алюминий, платина и др.) магнитная проницаемость µ>1. Для диамагнетиков (медь, поваренная соль и др.) µ<1.
Наряду с пара- и диамагнетиками существуют ферромагнетики (железо, никель, кобальт и др.), для которых µ>>1, т.е. они способны сильно намагничиваться.
Для пара- и диамагнетиков зависимость между и линейная, так как µ=const. Для ферромагнетиков эта зависимость носит нелинейный характер (рис.32), потому что µ≠const, а зависит от Н, т.е. µ=ƒ(Н) (рис.33).
Рис. 32 Рис. 33
Характерной особенностью ферромагнетиков является гистерезис. Явление гистерезиса заключается в том, что магнитная индукция В зависит не только от мгновенного значения Н, но и от того, какова была напряженность поля раньше. При этом происходит отставание изменения индукции В при изменении Н. Если ненамагниченный ферромагнетик поместить в магнитное поле, которое увеличивается от нуля, то зависимость В от Н (кривая намагничивания) выразится кривой Oa (рис.34). Точка «a» на рис. 34 соответствует магнитному насыщению.
Рис.34
Если же затем уменьшить Н до 0, то кривая намагничивания не совпадает с Oa, а пойдет по кривой ав. В результате, когда Н станет равной нулю, намагничивание не исчезнет, и будет характеризоваться величиной Ве, которая называется остаточной индукцией (отрезок «ов»). Намагничивание обращается в нуль (точка С) лишь под действием поля с напряженностью Нс (отрезок ос), имеющего направление, противоположное полю, вызывающему намагничивание. Напряженность магнитного поля Нс называется коэрцетивной силой.
При воздействии переменного магнитного поля напряженностью Н индукция В ферромагнетика меняется в соответствии с кривой авсаа′в′с′а (рис3.4), которая называется петлей гистерезиса. Петля гистерезиса может быть объяснена наличием в ферромагнетиках отдельных областей самопроизвольного намагничивания, называемых доменами.
Если максимальные значения напряженности поля Н таковы, что намагничивание достигает насыщения, получается так называемая максимальная петля гистерезиса (обозначена сплошной линией на рис.33). Если при максимальных значениях Н насыщение не достигается, получается петля, называемая частным циклом (обозначена пунктирной линией на рис. 33).
Ферромагнетики различают по величине коэрцетивной силы. Если она находится в пределах (0,02-0,05) А/м, то это магнитомягкий ферромагнетик. Такие материалы используются на переменном токе. Если же пределы коэрцетивной силы лежат в области (20-30) кА/м, то это магнитотвердые ферромагнетики и они применяются для производства постоянных магнитов
Если среда способна намагничиваться в магнитном поле, т.е. создавать собственное магнитное поле, то такая среда называется магнетиком. В самом деле, если ненамагниченный магнетик поместить в магнитное поле с индукцией , то он намагничивается и дает добавочную индукцию поля´, которая векторно складывается с первоначальной индукцией , т.е. ´.
Векторная сумма называется вектором магнитной индукции внутри магнетика.
Вещества, для которых ´ совпадает по направлению с , называются парамагнетиками. Внутри парамагнетиков магнитное поле усиливаются.
Вещества, для которых ´ и противоположны по направлению, называются диамагнетиками. Магнитное поле внутри диамагнетиков ослабляются. Для парамагнетиков (алюминий, платина и др.) магнитная проницаемость µ>1. Для диамагнетиков (медь, поваренная соль и др.) µ<1.
Наряду с пара- и диамагнетиками существуют ферромагнетики (железо, никель, кобальт и др.), для которых µ>>1, т.е. они способны сильно намагничиваться.
Для пара- и диамагнетиков зависимость между и линейная, так как µ=const. Для ферромагнетиков эта зависимость носит нелинейный характер (рис.32), потому что µ≠const, а зависит от Н, т.е. µ=ƒ(Н) (рис.33).
Рис. 32 Рис. 33
Характерной особенностью ферромагнетиков является гистерезис. Явление гистерезиса заключается в том, что магнитная индукция В зависит не только от мгновенного значения Н, но и от того, какова была напряженность поля раньше. При этом происходит отставание изменения индукции В при изменении Н. Если ненамагниченный ферромагнетик поместить в магнитное поле, которое увеличивается от нуля, то зависимость В от Н (кривая намагничивания) выразится кривой Oa (рис.34). Точка «a» на рис. 34 соответствует магнитному насыщению.
Рис.34
Если же затем уменьшить Н до 0, то кривая намагничивания не совпадает с Oa, а пойдет по кривой ав. В результате, когда Н станет равной нулю, намагничивание не исчезнет, и будет характеризоваться величиной Ве, которая называется остаточной индукцией (отрезок «ов»). Намагничивание обращается в нуль (точка С) лишь под действием поля с напряженностью Нс (отрезок ос), имеющего направление, противоположное полю, вызывающему намагничивание. Напряженность магнитного поля Нс называется коэрцетивной силой.
При воздействии переменного магнитного поля напряженностью Н индукция В ферромагнетика меняется в соответствии с кривой авсаа′в′с′а (рис3.4), которая называется петлей гистерезиса. Петля гистерезиса может быть объяснена наличием в ферромагнетиках отдельных областей самопроизвольного намагничивания, называемых доменами.
Если максимальные значения напряженности поля Н таковы, что намагничивание достигает насыщения, получается так называемая максимальная петля гистерезиса (обозначена сплошной линией на рис.33). Если при максимальных значениях Н насыщение не достигается, получается петля, называемая частным циклом (обозначена пунктирной линией на рис. 33).
Ферромагнетики различают по величине коэрцетивной силы. Если она находится в пределах (0,02-0,05) А/м, то это магнитомягкий ферромагнетик. Такие материалы используются на переменном токе. Если же пределы коэрцетивной силы лежат в области (20-30) кА/м, то это магнитотвердые ферромагнетики и они применяются для производства постоянных магнитов
Однодоменные ферромагнетики
В том случае, если частицы имеют различный размер, протекает процесс вращения. Происходит это по причине того, что образование новых доменов невыгодно с энергетической точки зрения. Но процессу вращения частиц мешает анизотропия (магнитная). Она может иметь разное происхождение – образовываться в самом кристалле, возникать вследствие упругого напряжения и т. д.). Но именно при помощи этой анизотропии намагниченность удерживается внутренним полем. Его еще называют эффективным полем магнитной анизотропии. И гистерезис магнитный возникает вследствие того, что намагниченность изменяется в двух направлениях – прямом и обратном. Во время перемагничивания однодоменных ферромагнетиков происходит несколько скачков. Вектор намагниченности М разворачивается в сторону поля Н. Причем поворот может быть однородным или неоднородным.
Многодоменные ферромагнетики
В них кривая намагничивания строится по подобному образу, но вот процессы протекают иные. При перемагничивании происходит смещение границ доменов. Следовательно, одной из причин возникновения гистерезиса может являться задержка смещений границ, а также необратимые скачки. Иногда (если у ферромагнетиков довольно большое поле) гистерезис магнитный определяется задержкой роста и образования зародышей перемагничивания. Именно из этих зародышей образуется доменная структура ферромагнитных веществ.
Теория гистерезиса
Стоит учитывать, что явление магнитного гистерезиса происходит также при вращении поля Н, а не только при его изменении по знаку и величине. Называется это гистерезисом магнитного вращения и соответствует изменению направления намагниченности М с изменением направления поля Н. Возникновение гистерезиса магнитного вращения наблюдается также при вращении исследуемого образца относительно фиксированного поля Н.
Кривая намагничивания характеризует также магнитную структуру домена. Структура изменяется при прохождении процессов намагничивания и перемагничивания. Изменения зависят от того, насколько смещаются границы доменов, от воздействий внешнего магнитного поля. Абсолютно все, что способно задержать все процессы, описанные выше, переводит ферромагнетики в нестабильное состояние и является причиной того, что возникает гистерезис магнитный.
Нужно учесть, что гистерезис зависит от множества параметров. Намагниченность меняется под воздействием внешних факторов – температуры, упругого напряжения, следовательно, возникает гистерезис. При этом появляется гистерезис не только намагниченности, но и всех тех свойств, от которых он зависит. Как можно видеть отсюда, явление гистерезиса можно наблюдать не только при намагничивании материала, но и при других физических процессах, связанных прямо или косвенно с ним.
Полезный гистерезис
Гистерезис в электронике используется при создании электронных термостатов. Такие устройства работают по принципу включения или отключения при достижении определенного условия. Например, если разница установлена на 2 градуса, а температурный режим на 20 градусов, то терморегулятор включится при достижении 18 градусов, а отключится когда температура станет 22 градуса. Такой подход помогает значительно снизить расход электрической энергии при постоянной работе обогревателя.
Также этот эффект применяется при работе триггеров. Гистерезис помогает осуществлять точное включение без влияния помех, перепадов напряжения или магнитных полей.
Это явление способно проявляться на биметаллических пластинах. Такие элементы способны терять и восполнять упругость своей структуры при смене температуры. При нагреве материала возникает тепловое расширение, которое изменяет механическое напряжение всей структуры. В результате контакт размыкается. После остывания, структура пластины принимает исходный размер, возвращает первоначальное свое механическое напряжение и замыкает контакт. Такие терморегуляторы часто устанавливаются в нагревательных приборах (печи, утюги, чайники). Момент между нагреванием и остыванием называется температурным зазором. Он устанавливается только в зависимости от способности вещества расширяться и сужаться при определенной температуре.
