Принцип построения петли гистерезиса кратко

Обновлено: 05.07.2024

Гистерезис происходит от греческого слова, означающего запаздывание или отставание. С данным понятием связана такая физическая величина, как петля гистерезиса, определяющая одну из характеристик тела. Она определенным образом связана также и с физическими величинами, характеризующими внешние условия, такие как магнитное поле.

Общие понятия гистерезиса

Гистерезис можно наблюдать в те моменты, когда какое-либо тело в конкретный период времени будет находиться в зависимости от внешних условий. Данное состояние тела рассматривается и в предыдущее время, после чего производится сравнение и выводится определенная зависимость.

Подобная зависимость хорошо просматривается на примере человеческого тела. Чтобы изменить его состояние потребуется какой-то отрезок времени на релаксацию. Поэтому реакция тела будет всегда отставать от причин, вызвавших измененное состояние. Данное отставание значительно уменьшается, если изменение внешних условий также будет замедляться. Тем не менее, в некоторых случаях может не произойти уменьшения отставаний. В результате, возникает неоднозначная зависимость величин, известная как гистерезисная, а само явление называется гистерезисом.

Эта физическая величина может встречаться в самых разных веществах и процессах, однако чаще всего рассматриваются понятия диэлектрического, магнитного и упругого гистерезиса. Магнитный гистерезис как правило появляется в магнитных веществах, например, таких как ферромагнетики. Характерной особенностью этих материалов является самопроизвольная или спонтанная неоднородная намагниченность, наглядно демонстрирующая это физическое явление.

Механизм возникновения петли гистерезиса

Сам по себе гистерезис представляет собой кривую, отображающую измененный магнитный момент вещества, на которое воздействует периодически изменяющаяся напряженность поля. Когда магнитное поле воздействует на ферромагнетики, то изменение их магнитного момента наступает не сразу, а с определенной задержкой.

В каждом ферромагнетике изначально присутствует самопроизвольная намагниченность. Сам материал включает в свой состав отдельные фрагменты, каждый из которых обладает собственным магнитным моментом. При направленности этих моментов в разные стороны, значение суммарного момента оказывается равным нулю в результате взаимной компенсации.

Если на ферромагнетик оказать воздействие магнитным полем, то все моменты, присутствующие в отдельных фрагментах (доменах) будут развернуты вдоль внешнего поля. В итоге, в материале образуется некоторый общий момент, направленный в одну сторону. Если внешнее действие поля прекращается, то домены не все окажутся в изначальном положении. Для этого потребуется воздействие достаточно сильного магнитного поля, предназначенного для разворота доменов. Такому развороту создают препятствия наличие примесей и неоднородность материала. Поэтому материал имеет некоторую остаточную намагниченность, даже при отключенном внешнем поле.

Для снятия остаточного магнитного момента, необходимо приложение действия поля в противоположном направлении. Напряженность поля должна иметь величину, достаточную, чтобы выполнить полное размагничивание материала. Такая величина известна как коэрцитивная сила. Дальнейшее увеличение магнитного поля приведет к перемагничиванию ферромагнетика в противоположную сторону.

Когда напряженность поля достигает определенного значения, материал становится насыщенным, то есть магнитный момент больше не увеличивается. При снятии поля вновь наблюдается наличие остаточного момента, который снова можно убрать. Дальнейшее увеличение поля приводит к попаданию в точку насыщения с противоположным значением.

Таким образом, на графике появляется петля гистерезиса, начало которой приходится на нулевые значение поля и момента. В дальнейшем, первое же намагничивание выводит начало петли гистерезиса из нуля и весь процесс начинает происходить по графику замкнутой петли.

Различные ферромагнитные материалы обладают неодинаковой способностью проводить магнитный поток. Основной характеристикой ферромагнитного материала является петля магнитного гистерезиса В (Н). Эта зависимость определяет значение магнитной индукции, которая будет возбуждена в магнитопроводе из данного материала при воздействии некоторой напряженности поля.

Рассмотрим процесс перемагничивания ферромагнетика. Пусть первоначально он был полностью размагничен. Сначала индукция быстро возрастает за счет того, что магнитные диполи ориентируются по силовым линиям поля, добавляя свой магнитный поток к внешнему. Затем ее рост замедляется по мере того, как количество неориентированных диполей уменьшается и, наконец, когда практически все они ориентируются по внешнему полю рост индукции прекращается и наступает режим насыщения.

Если процесс циклического перемагничивания повторять при разных амплитудных значениях тока (Н), то получим семейство петель магнитного гистерезиса. При некотором максимальном значении тока, а значит Н_max, площадь петли гистерезиса практически не увеличивается. Наибольшая по площади петля называется предельной петлей гистерезиса.

Кривая, соединяющая вершины петель - на рисунке жирная линия, называется основной кривой намагничивания.

После нескольких (около 10) циклов изменения напряженности от положительного до отрицательного максимальных значений зависимость B=f (H) начнет повторяться и приобретет характерный вид симметричной замкнутой кривой, называемой петлей гистерезиса. Гистерезисом называют отставание изменения индукции от напряженности магнитного поля.

Симметричная петля гистерезиса, полученная при максимальной напряженности поля H_m, соответствующей насыщению ферромагнетика, называется предельным циклом.

Для предельного цикла устанавливают также значения индукции B_r при H = 0, которое называется остаточной индукцией, и значение H_c при B = 0, называемое коэрцитивной силой. Коэрцитивная (удерживающая) сила показывает, какую напряженность внешнего поля следует приложить к веществу, чтобы уменьшить остаточную индукцию до нуля.

Форма и характерные точки предельного цикла определяют свойства ферромагнетика. Вещества с большой остаточной индукцией, коэрцитивной силой и площадью петли гистерезиса (кривая 1 рис.8а) называются магнитнотвердыми.

Они используются для изготовления постоянных магнитов. Вещества с малой остаточной индукцией и площадью петли гистерезиса (кривая 2 рис.8а) называются магнитномягкими и используются для изготовления магнитопроводов электротехнических устройств, в особенности работающих при периодически изменяющемся магнитном потоке.

Свойства ферромагнитных материалов в переменных магнитных полях

При возбуждении переменного магнитного потока в магнитопроводах электротехнических устройств происходит непрерывное циклическое перемагничивание ферромагнитного материала.

В каждый момент времени магнитное состояние материала определяется точкой В(Н) на симметричной петле (рис. 9), по конфигурации похожей на петлю магнитного гистерезиса. Получаемая при быстрых перемагничиваниях петля называется динамической петлей, и она отличается от статической петли магнитного гистерезиса, получаемой при медленных перемагничиваниях. Динамическая петля (показана пунктиром) шире статической.

Энергия, выделяющаяся за один цикл перемагничивания, определяется площадью динамической петли. Эта энергия затрачивается источником на:

1) преодоление сил магнитного гистерезиса (определяется площадью статической петли);

2) на покрытие потерь, связанных с нагревом ферромагнитного материала вихревыми токами.

Для уменьшения потерь на гистерезис (перемагничивание) необходимо применять магнитомягкие материалы (с узкой петлей магнитного гистерезиса).

Для уменьшения потерь от вихревых токов магнитопровод выполняют шихтованным (из тонких изолированных друг от друга пластин). Кроме этого, повышают удельное электрическое сопротивление материала, увеличивая содержание кремния в стали.

Созданы и специальные сплавы, такие как ферриты, которые обладают высоким электрическим сопротивлением, благодаря чему уменьшаются не только магнитные потери, но и электрические, обусловленные вихревыми токами.

Магнитные цепи электротехнических устройств постоянного тока

В технике широко используют различные электромагнитные механизмы. Одни из них преобразуют электрическую энергию в механическую (электродвигатели, реле, электроизмерительные механизмы), другие создают магнитные поля с необходимыми характеристиками.

Магнитной цепью называют совокупность магнитопровода, образующего замкнутый путь магнитному потоку, и элементов возбуждающих магнитное поле (обмотки с током, постоянные магниты).

Магнитная цепь предназначена для создания в рабочем объеме электротехнического устройства магнитного поля требуемой интенсивности, конфигурации и направления.

При анализе магнитных цепей нужно различать путь основного магнитного потока Ф и потокосцепление рассеяния Ф_d, образованного магнитными линиями вне ферромагнитного материала. Необходимо представлять конфигурацию магнитного поля в рабочем объеме (поля выпучивания).

Классификация магнитных цепей

Магнитные цепи могут быть однородными (все участки магнитопровода из одного ферромагнитного материала) и неоднородными (например, с воздушным зазором).

Магнитные цепи бывают разветвленными и неразветвленными, симметричными и несимметричными.

Кривая, соединяющая вершины петель - на рисунке жирная линия, называется основной кривой намагничивания.

Свойства ферромагнитных материалов в переменных магнитных полях

1) преодоление сил магнитного гистерезиса (определяется площадью статической петли);

2) на покрытие потерь, связанных с нагревом ферромагнитного материала вихревыми токами.

Магнитные цепи электротехнических устройств постоянного тока

Классификация магнитных цепей

Магнитные цепи бывают разветвленными и неразветвленными, симметричными и несимметричными.

Диэлектрическим гистерезисом называется явление неоднозначной зависимости поляризованности P → от напряженности внешнего поля E → у сегнетоэлектриков при циклических изменениях.

Доменная структура сегнетоэлектрика обусловливает нулевое значение дипольного момента его кристалла в отсутствие диэлектрика. При этом дипольные моменты отдельных доменов взаимно компенсируются, и домен в целом оказывается неполяризованным. Если поля накладываются друг на друга, то ориентация доменов частично изменяется: одни из них увеличиваются, а другие уменьшаются, из-за чего в кристалле возникает поляризация P → . На графике ниже показано, как именно поляризация зависит напряженности поля.

Мы видим, что сначала поляризация растет по кривой О А . После достижения точки векторы поляризации всех доменов меняют ориентацию на параллельную по отношению к полю E → . На этом участке поляризация растет за счет индуцирования P i → ~ E → , после чего совершается переход на прямолинейный участок A D . Продолжение этого участка до пересечения с осью O y образует отрезок, длина которого будет зависеть от спонтанной поляризации P S . Если напряженность электрического поля при этом уменьшится, то направление снижения поляризации пойдет не по той же кривой обратно, а образует новую кривую D A B ' A ' D ' , расположенную выше прежней. Это и есть схематическое изображение диэлектрического гистерезиса сегнетоэлектрика, представляющего собой задержку процесса смены ориентации и увеличение доменов в электрическом поле.

Выходит, что P → не может быть однозначно определена полем E → , т.к. она сохраняет зависимость от "истории" сегнетоэлектрика. Смена поля в обратном порядке показана нижней кривой D ' A ' B A D , которая будет симметрична по отношению к D ' A ' B ' A D .

На графике мы видим замкнутую кривую, называемую диэлектрической петлей гистерезиса.

Петли для электрической индукции могут быть получены точно таким же образом. Отложим электрическое смещение D → по оси O y и получим следующее:

Отличия петли гистерезиса для индукции заключаются только в масштабе кривых P = P ( E ) , поскольку во всех сегнетоэлектриках E ≪ D , значит, мы можем пренебречь первым слагаемым. Стрелки на графике указывают то направление, в котором происходит движение по кривой при смене напряженности поля. На отрезке О С показана остаточная поляризованность (такая, которая наблюдается у сегнетоэлектрика при падении напряженности поля до нуля). На отрезке O B ' показана напряженность, противоположно направленная по отношению к поляризованности. При такой напряженности поляризация данного сегнетоэлектрика полностью исчезает. Чем длиннее отрезок О С , тем больше остаточная поляризация; чем больше O B ' , тем лучше сегнетоэлектрик удерживает остаточную поляризацию.

Как получить петлю гистерезиса на осциллографе

Если у нас есть осциллограф, то мы можем увидеть петлю гистерезиса на его экране. Для этого нам нужно соединить два конденсатора последовательно и заполнить пространство между обкладками одного из них сегнетоэлектрическим материалом. Обозначим емкость данного конденсатора как C s . Система будет подключена к генератору переменного тока. Последовательное соединение конденсаторов дает нам одинаковые заряды на их обкладках, а также одинаковые индукции:

Здесь показатель D 0 обозначает индукцию поля в конденсаторе с обычным диэлектриком, а D - с сегнетоэлектриком. Поскольку значение диэлектрической проницаемости обычного конденсатора является постоянной величиной, то напряжение на обычном конденсаторе будет прямо пропорционально индукции.

Если на горизонтально отклоненные пластины осциллографа подать напряжение с конденсатора с сегнетоэлектриком, а на вертикальные – с обычного конденсатора, то мы увидим на экране петлю гистерезиса.

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.

Определение

Если давать определение простыми словами, то гистерезис как явление — это реакция предмета, поверхности или целой системы на воздействие со стороны некоего раздражителя. Предмет воздействия, как правило, реагирует на раздражитель с запозданием. Также учитывается его актуальное состояние. В результате реакции, предмет может вернуться в свое первоначальное состояние. Обе кривые петли гистерезиса замкнуты и показывают, как ход ответной реакции, так и время замедления.

Петля

Для расчета данного явления, его влияния на определенную систему или предмет используется петля гистерезиса. Она представляет собой график, на который наложена кривая первоначального состояния системы и хода ее ответной реакции на возбуждение.

Эффект гистерезиса может быть различным: иметь как полезные, так и отрицательные свойства. Данное явление учитывается в различных сферах: это может быть физика, экономика и даже социология. В физике гистерезис обязательно учитывается при расчетах различных величин, взаимодействии сил, мощностей и магнитных полей. Самыми распространенными типами гистерезиса являются:

Магнитный.
Упругий.
Сегнетоэлектрический.

Далее более подробно будет описан каждый тип этого явления.

Упругий

Явление упругого гистерезиса свойственно для различных металлов. Понятным языком это можно объяснить так.

Металлический стержень стоит на опоре одним своим концом. Металл в данный момент находится в спокойном состоянии, при этом обладает собственной деформационной упругостью. На свободный конец стержня приложим определенное давление, например, при помощи пресса. В металле, под воздействием нарастающего давления, начнут проявляться следующие свойства:

Первичное возрастание силы упругости.
Скачок величины упругости до максимальных значений.
Снижение силы противодействия в результате превышения максимальных характеристик упругости.

Если продолжать увеличивать давление, оно сможет согнуть, сломать или раскрошить стержень. Если прервать процесс воздействия на стержень, это приведет к следующему:

К скачку динамического напряжения на стержень в сторону снижения давления.
Общее снижение нагрузки.

После того как нагрузка будет снята, стержень вернет свои первоначальные характеристики. В зависимости от типа металла, характеристики могут вернуться полностью или частично. Если металл относится к вязкоупругим, его гистерезисная петля будет иметь узкую структуру, по причине неполного возврата металла к первоначальному состоянию

Упругий гистерезис может быть двух видов:

Статический тип. Свойственен для вязкоупругой или неупругой деформации. Такая деформация не в состоянии полностью восстановить параметры упругости и напряжение при полном или частичном снятии нагрузок. Например, стержень под нагрузкой сгибается и не может восстановить свое состояние после окончания воздействия.
Динамический тип. При таком гистерезисе нагрузка на систему не способна достичь предела ее характеристики упругости, даже если воздействие имеет циклический характер. Причины гистерезиса такого типа могут быть различные, например, это могут быть силы магнитной или термической упругости.
Упругий гистерезис сильно зависим от состава исходного вещества и способности микрочастиц менять свою дислокацию при изменении давления или нагрузки.

Магнитный

Часто возникающий гистерезис в электротехнике — это магнитный. В этой сфере используются элементы со свойством намагничивания/размагничивания. Различные трансформаторы, катушки индуктивности имеют ферромагнитные сердечники, от материала которых зависит сила магнитного поля элемента. Для изучения влияния различных по свойствам материалов сердечников используются ферромагнитные петли гистерезиса. Также при помощи петли можно изучить нелинейную зависимость внутренних магнитных индукций от внешнего магнитного поля.

При протекании переменного тока через катушку возникает эффект отставания намагничивания. Связано это с тем, что после размыкания цепи (обесточивания), ферромагнитный сердечник не размагничивается полностью, а сохраняет часть намагничивания с ориентацией полюса.

Для изменения полярности сердечника его потребуется перемагнитить заново. Для этого потребуется изменить направленность тока, преодолеть коэрцитивную силу и затратить немного больше энергии. Преодоление коэрцитивной силы и рост энергии приведет к нагреву сердечника. Все эти силы и затраты приводят к эффекту потерь гистерезиса. У подобных ферромагнетиков петля гистерезиса будет более широкой.

Материалы ферромагнетики различают по способности быстрой смены остаточного намагничивания:

Магнитомягкие. Такие сердечники можно встретить в трансформаторе, дросселе. Им свойственна более узкая петля гистерезиса.
Магнитотвердые. Используются для элементов памяти или магнитов. Им свойственна широкая петля на графике, большая потеря гистерезиса и нагрев при перемагничивании.

Намагничивание сердечников выражается не только в их способности удерживать магнитное поле с определенным полюсом. На такие элементы также влияет направленность вращения полей, которые приводят к сдвигам временных характеристик намагничивания.

Для магнитного гистерезиса также характерно наличие двойной петли. Этот эффект полностью зависит от способности удерживать остаточный магнетизм. Первая наружная петля обозначает максимальный гистерезис, а внутренняя петля является петлей частотного цикла.

Свойства магнитного гистерезиса используются в электротехнике для создания электрических двигателей, коммутационного оборудования, различных магнитных реле.

Сегнетоэлектрический

У диэлектрических материалов нет свободных зарядов. Их электроны привязаны к атомам и неспособны к перемещению. При воздействии на диэлектрик сильного магнитного поля, его заряды поляризуются и изменяют ориентацию на противоположную. Чем выше поле, тем выше вектор поляризации. Он растет нелинейно. У диэлектрика есть порог поляризации, при достижении которого возникает диэлектрический или сегнетоэлектрический гистерезис.

На величину поляризации часто влияет повышение температуры диэлектрика. При достижении определенной температуры (зависит от свойств материала) начинается самопроизвольная и неконтролируемая поляризация, которая не зависит от внешних электрических полей.

Электрический

В электронике используется такое понятие как электрический гистерезис. Для этой сферы данное явление имеет полезное и вредное свойство.

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.

Погрешность

В электронике гистерезис может и навредить работе некоторых приборов. Такой эффект называется погрешность (ошибка) гистерезиса. Часто такой эффект можно наблюдать у датчика движения. Например, при движении объекта из точки А к точке Б датчик срабатывает в течение 1 секунды. А при движении в обратном направлении с сохранением траектории, датчик включается с замедлением 2 секунды. Причина этого явления кроется в разности выходных сигналов для входных сигналов, которые отличаются величиной при убывании и возрастании. При перемещении из точки А к точке Б величина входящего сигнала имеет разницу 30 МБ от величины того же сигнала при перемещении в обратном направлении. При учете чувствительности датчика 15 МБ/мм, гистерезис составит 3 мм. Разница величины сигнала зависит от изменения температуры воздуха, внешних помех, эффекта трения или дребезга контактов.

Заключение

Гистерезис — это важное физическое явление. Его можно использовать для повышения характеристик различных проводников, ферромагнитных сердечников, конструирования более совершенных электрических элементов. Для электроприводов, трансформаторов и дросселей такой эффект будет вреден. Приходится искать материалы с меньшей зависимостью от сторонних воздействий. В электронике гистерезис только полезен. С его помощью осуществляется автоматический контроль различных процессов.

Читайте также: