Меню

Что такое гистерезисное напряжение

Что такое гистерезис в электротехнике и электронике?

Некоторые физические и другие системы с запаздыванием отвечают на различные воздействия, приложенные к ним. При этом отклик на воздействие во многом зависит от текущего состояния системы и определяется предысторией настоящего состояния. Для описания таких явлений применяется термин – гистерезис, что в переводе с греческого означает отставание.

Что такое гистерезис?

Говоря простым и понятным языком – гистерезис это ответная, запоздалая реакция некой системы на определённый раздражитель (воздействие). При устранении причины, вызвавшей ответную реакцию системы, либо в результате противоположного действия, она полностью или частично возвращается к первоначальному состоянию. Причём для такого явления характерно то, что поведение системы между крайними состояниями не одинаково. То есть: характеристики перехода от первоначального состояния и обратно – сильно отличаются.

Явление гистерезиса наблюдается:

  • в физике;
  • электротехнике и
    радиоэлектронике;
  • биологии;
  • геологии;
  • гидрологии;
  • экономике;
  • социологии.

Гистерезис может иметь как полезное, так и пагубное влияние на происходящие процессы. Это отчётливо просматривается в электротехнике и электронике, о чём речь пойдёт ниже.

Динамический гистерезис

Рассмотрим явление запаздывания ответной реакции во времени на примере механической деформации. Предположим у нас есть металлический стержень, обладающий упругой деформацией. Приложим к одному концу стержня силу, направленную в сторону другого конца, который покоится на опоре. Например, поставим стержень под пресс.

По мере возрастания давления, тело будет сжиматься. В зависимости от механических характеристик металла, реакция стержня на приложенную силу (напряжение) будет проявляться по-разному: вначале сила упругости постепенно будет возрастать, потом она резко устремится к пороговому значению. Достигнув порогового значения, сила упругого напряжения уже не сможет противодействовать возрастающему нагружению.

Если увеличивать силу давления, то в стержне произойдут необратимые изменения – он, либо изменит свою форму, либо разрушится. Но мы не будем доводить наш эксперимент до такого состояния. Начнём уменьшать силу давления. Реакция напряжения при этом будет меняться зеркально: вначале резко понизится, потом постепенно будет стремиться к нулю, по мере разгрузки.

Отставание процесса развития деформации во времени, под действием приложенного механического напряжения вследствие упругого гистерезиса описывается динамической петлей (см. рис. 2). Явление обусловлено особенностями перемещений дислокаций микрочастиц вещества.

Различают упругий гистерезис двух видов:

  1. Динамический, при котором напряжения изменяются циклически, а максимальная амплитуда напряжений не достигает пределов упругости.
  2. Статический, характерный для вязкоупругих или неупругих деформаций. При таких деформациях полностью, либо частично исчезают напряжения при снятии нагрузки.

Причиной динамического гистерезиса являются также силы термоупругости и магнитоупругости.

Петля гистерезиса

Кривая, характеризующая ход зависимости ответной реакции системы от приложенного воздействия называется петлёй гистерезиса (показана на рис. 1).

Все петли, характеризующие циклический гистерезис, состоят из одной или нескольких замкнутых линий различной формы. Если после завершения цикла система не возвращается в первоначальное состояние, (например, при вязкоупругой деформации), то динамическая петля имеет вид кривой, показанной на рисунке 2.

Анализ гистерезисных петель позволяет очень точно определить поведение системы в результате внешнего воздействия на неё.

Гистерезис в электротехнике

Важными характеристиками сердечников электромагнитов и других электрических машин являются параметры намагничивания ферромагнитных материалов, из которых они изготавливаются. Исследовать эти материалы помогают петли ферромагнетиков. В данном случае прослеживается нелинейная зависимость внутренней магнитной индукции от величины внешних магнитных полей.

На процесс намагничивания (перемагничивания) влияет предыдущее состояние ферромагнетика. Кроме того, кривая намагничивания зависит от типа ферромагнитного образца, из которого состоит сердечник.

Если по катушке с сердечником циркулирует переменный ток, то намагничивания образца приводит к отставанию намагничивания. В результате намагничивания сердечника происходит сдвиг фаз в цепи с индуктивной нагрузкой. Ширина петли гистерезиса при этом зависит от гистерезисных свойств ферромагнетиков, применяемых в сердечнике.

Читайте также:  Как узнать напряжение лампы накаливания

Это объясняется тем, что при изменении полярности тока, ферромагнетик какое-то время сохраняет приобретённую ориентацию полюсов. Для переориентации этих полюсов требуется время и дополнительная энергия, которая израсходуется на нагревание вещества, что приводит к гистерезисным потерям. По величине потерь материалы подразделяются на магнитомягкие и магнитотвёрдые (см. рис. 3).

Магнитный гистерезис в ферромагнетиках отображает зависимость вектора намагничивания от напряженности электрического поля (см. Рис. 3). Но не только изменение поля по знаку вызывает гистерезис. Вращение поля или (что, то же самое) магнитного образца, также сдвигает временные характеристики намагничивания.

Обратите внимание, что на рисунке изображены двойные петли. Такие петли характерны для магнитного гистерезиса.

В однодоменных ферромагнетиках, которые состоят из очень маленьких частиц, образование доменов не поддерживается (не выгодно с точки зрения энергетических затрат). В таких образцах могут происходить только процессы магнитного вращения.

В электротехнике гистерезисные свойства используются довольно часто:

  • в работе электромагнитных реле;
  • в конструкциях коммутационных приборов;
  • при создании электромоторов и других силовых механизмов.

Явления диэлектрического гистерезиса

У диэлектриков отсутствуют свободные заряды. Электроны тесно связаны со своими атомами и не могут перемещаться. Другими словами, у диэлектриков спонтанная поляризация. Такие вещества называются сегнетоэлектриками.

Однако под действием электрического поля заряды в диэлектриках поляризуются, то есть изменяют ориентацию в противоположные стороны. С увеличением напряжённости поля абсолютная величина вектора поляризации возрастает по нелинейному принципу. В определённый момент поляризация достигает насыщённости, что вызывает эффект диэлектрического гистерезиса.

На изменение поляризации уходит часть энергии, в виде диэлектрических потерь.

Гистерезис в электронике

При срабатывании различных пороговых элементов, часто применяемых в электронных устройствах, требуется задержка во времени. Например, гистерезис используется в компаратороах или триггерах Шмидта с целью стабилизации работы устройств, которые могут срабатывать в результате помех или случайных всплесков напряжения. Задержка по времени исключает случайные отключения электронных узлов.

На таком принципе работает электронный термостат. При достижении заданного уровня температуры устройство срабатывает. Если бы не было эффекта задерживания, частота срабатываний оказалась бы неоправданно высокой. Изменение температуры на доли градуса приводило бы к отключению термостата.

На практике часто разница в несколько градусов не имеет особого значения. Используя устройства, обладающего тепловым гистерезисом, позволяет оптимизировать процесс поддержания рабочей температуры.

Источник

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 $\boldsymbol H$.

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.

Читайте также:  Какое напряжение аккумулятора автомобиля для завода

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.

Читайте также:  Нужен ли стабилизатор напряжения для погружного насоса

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.

Источник



Гистерезис

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . 1969—1978 .

Смотреть что такое «Гистерезис» в других словарях:

ГИСТЕРЕЗИС — (от греч. hysteresis отставание) запаздывание изменения физической величины, характеризующей состояние вещества (намагниченности М ферромагнетика, поляризации P сегнетоэлектрика и т. п.), от изменения другой физической величины, определяющей… … Большой Энциклопедический словарь

гистерезис — сдвиг, отставание Словарь русских синонимов. гистерезис сущ., кол во синонимов: 2 • отставание (10) • … Словарь синонимов

ГИСТЕРЕЗИС — ГИСТЕРЕЗИС, явление, характерное для упругих тел; заключается в том, что ДЕФОРМАЦИЯ тела при увеличении НАПРЯЖЕНИЯ меньше, чем при его уменьшении из за задержки эффекта деформации. Когда механическое напряжение удалено полностью, остается… … Научно-технический энциклопедический словарь

Гистерезис — (от греческого hysteresis отставание, запаздывание) 1) Г. в аэродинамике неоднозначность структуры поля течения и, следовательно, аэродинамических характеристик обтекаемого тела при одних и тех же значениях кинематических параметров, но при… … Энциклопедия техники

ГИСТЕРЕЗИС — (от греч. hysteresis отставание, запаздывание), явление, к рое состоит в том, что физ. величина, характеризующая состояние тела (напр., намагниченность), неоднозначно зависит от физ. величины, характеризующей внеш. условия (напр., магн. поля). Г … Физическая энциклопедия

ГИСТЕРЕЗИС — (hysteresis) Зависимость равновесного (equilibrium) состояния системы от того, как осуществляется приспособление (корректировка) в процессе динамики. Подобный подход подрывает традиционное различие между сравнительной статикой и динамикой.… … Экономический словарь

Гистерезис — в экономике предположение о том, что современный уровень экономической переменной зависит от ее прошлого уровня. Словарь бизнес терминов. Академик.ру. 2001 … Словарь бизнес-терминов

ГИСТЕРЕЗИС — (от греч. hysteros более поздний), название, даваемое ряду явлений, объединяемых тем общим свойством, что определенная величина является зависимой от предшествующего состояния исследуемой системы. Г. магнитный. Если поместить железный стержень… … Большая медицинская энциклопедия

гистерезис — Запаздывание изменения физ. величины, хар ризующей состояние вещ ва, по отношению к изменению внешних условий (др. физ. величины); изображается в виде петли гистерезиса. [http://metaltrade.ru/abc/a.htm] Тематики металлургия в целом EN hysteresis … Справочник технического переводчика

Гистерезис — – (от греч. hysteresis – запаздывание) – различная реакция физ. тела на некоторые внешние воздействия в зависимости от того, подвергалось ли это тело ранее тем же воздействиям или подвергается им впервые. Г. объясняется… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

Гистерезис — Рис. 1. Петля гистерезиса. Подобная зависимость величин характерна для всех видов гистерезиса Гистерезис (греч … Википедия

Источник