Что такое петля гистерезиса простыми словами

Чтобы обозначить запоздалые, замедленные процессы, используется специальный термин — гистерезис. Если говорить простыми словами, то так называют запоздалую реакцию некой системы на определенные раздражающие факторы. Чтобы понять, что это такое, как проявляется, какими параметрами характеризуется, стоит рассмотреть основные особенности и свойства гистерезиса.

Суть гистерезиса

Гистерезис — особое свойство биологических, физических и других систем, в которых мгновенный отклик на действия зависит от их состояния на текущий момент, а на временных интервалах состояние и поведение системы определяется ее предысторией.

Под петлей гистерезиса понимается график, который демонстрирует данное свойство.

Если на графике выявляется остроугольная петля, то это обычно связывается с неодинаковостью траекторий между соседними расстояниями, а также это является эффектом «насыщенности».

Данная физическая величина может наблюдаться в разных веществах и процессах. Но все же наиболее часто рассматриваются варианты диэлектрического, магнитного, упругого гистерезиса. Магнитный гистерезис обычно возникает в материалах, именуемых ферромагнетиками. Главная их особенность заключается в самопроизвольной или спонтанной неоднородной намагниченности.

Характеристика петли

При проведении расчетов, определении степени воздействия на конкретную систему применяется петля гистерезиса. Ее представляют в виде графика, на который накладывается кривая, отражающая первоначальное состояние исследуемой системы, ход ее ответной реакции на пробуждение.

Свойства эффекта гистерезиса могут быть как полезными, так и отрицательными. Данное явление учитывается в таких сферах, как экономика, физика и даже социология. Наиболее часто гистерезис наблюдается в физике. В этой области он применяется для проведения расчетов разных величин, взаимодействующих сил, мощностей, магнитных полей. Выделяют наиболее распространенные варианты гистерезиса:

• Магнитный.
• Упругий.
• Сегнетоэлектрический.

Магнитный

Наиболее часто используется понятие магнитного гистерезиса в электротехнике. В данной сфере применяются компоненты с качеством намагничивания/размагничивания. На разных трансформаторах и катушках индуктивности предусмотрены сердечники из ферромагнитных материалов. И именно от свойств материала, используемого для сердечника, зависит сила магнитного поля.

Для изучения воздействия разных по качествам материалов сердечников применяются ферромагнитные петли гистерезиса. Кроме того, использование петель позволяет рассмотреть, как внутренняя магнитная индукция зависит от внешнего магнитного поля.

Во время протекания переменного электротока через катушку происходит формирование эффекта отстаивания намагничивания. Дело в том, что после размыкания электроцепи ферромагнитный сердечник не размагничивается до конца, он может сохранять часть намагничивания в соответствии с ориентацией полюса.

Чтобы полярность сердечника изменилась, его требуется перемагнитить. Для этого следует поменять направленность электротока, а также нужно преодолеть коэрцитивное воздействие, потратив немного больше энергии.  В результате возникнет нагревание сердечника. Потери энергии при нагревании называют гистерезисными. Поэтому у ферромагнетиков прямоугольная и широкая петля гистерезиса.

С увеличением количества циклов перемагничивания к гистерезисным потерям добавляются и те, которые связаны с вихревыми электротоками. Наличие высоких частот способствует тому, что петля гистерезиса приобретает увеличенную площадь и получает из-за этого название динамическая петля магнитного гистерезиса.

Гистерезисная петля может иметь разную площадь в зависимости от свойств материала и частоты перемагничивания. По ней определяются такие параметры магнитных материалов, как индукция насыщения, остаточная индукция, коэрцитивная сила. Последней называют напряженность магнитного поля, при которой индукция становится нулевой.

Выделяют следующие виды ферромагнетиков:

• Магнитомягкие. Данные варианты сердечников обычно встречаются в трансформаторах, дросселях. У многих из них наблюдается ППГ — прямоугольная петля гистерезиса.
• Магнитотвердые. Их используют для компонентов памяти или магнитов. Магнитотвердым материалам свойственна более широкая петля на графике магнитного гистерезиса. Также они приводят к большим гистерезисным потерям, нагреваясь во время перемагничивания.

Упругий

Явление гистерезиса наблюдается у разных металлов. И это все можно объяснить с помощью простого эксперимента. Стержень с металлической основой устанавливается на опоре на один свой конец. В данный момент металл пребывает в спокойном состоянии, но одновременно с этим он обладает собственной деформационной упругостью. К свободному концу прикладывается давление, например, при использовании пресса.

При нарастании давления в металле начнут проявляться определенные качества:

1. Наблюдается первичное увеличение силы упругости.
2. Повышение упругости до наибольших значений.
3. Уменьшение силы противодействия при повышении максимальных параметров упругости.

Дальнейшее увеличение давления способно привести к деформациям или даже разрушению стержня. Если его прервать, то это может вызвать резкое повышение динамического напряжения или общее снижение нагрузки. После снятия нагрузки стержень приобретет свои первоначальные характеристики.

Упругий гистерезис бывает следующих видов:

• Статический. Этот тип обычно проявляется у вязкоупругого и неупругого деформирования. Но важно учитывать, что при данных видах деформации нельзя в полной мере восстановить параметры упругости.
• Динамичный. При данном виде гистерезиса не получится достичь предельной упругости, даже если воздействие обладает циклическим характером.
• Упругий. Этот гистерезис и его петля сильно зависят от состава исходного элемента и способности микрочастиц изменять свое положение при изменении давления или нагрузки.

Сегнетоэлектрический

Такой тип гистерезиса присущ материалам-диэлектрикам. У них отсутствуют свободные заряды. Их электроны связаны с атомами, они не могут перемещаться.

При влиянии на диэлектрик магнитного поля с высокой силой происходит поляризация его зарядов, а также наблюдается изменение ориентации на противоположную. Чем выше напряженность поля, тем больше будет вектор поляризации. Его рост происходит в нелинейном порядке. У диэлектрика наблюдается предел поляризации, после его достижения проявляется гистерезис сегнетоэлектрического вида.

На показатель поляризации оказывает влияние увеличение температуры сегнетоэлектрика. После достижения определенных показателей температуры возникает самопроизвольная или неконтролируемая поляризация. Иногда наблюдаются даже двойные гистерезисные петли. Это связано с тем, что фазовый переход у сегнетоэлектрика под влиянием электрополя происходит с перестройкой кристаллической структуры.

Гистерезис считается важным физическим явлением. Его используют для увеличения параметров разных проводников, сердечников, а также для создания более совершенных электротехнических элементов. А вот на трансформаторах и дросселях может отрицательно сказываться эффект гистерезиса. Поэтому для них рекомендуется применять материалы, которые практически не зависят от сторонних воздействий.

Видео по теме