Для обозначения запаздывающих процессов применяют специальное название гистерезис что это такое в электротехнике можно понять после изучения представленных ниже сведений. В общем определении подразумевается наличие определенной задержки на внешнее воздействие. Изменение системы зависит от ее предыдущего состояния. Данное явление отличается от инерционности нелинейностью рабочих характеристик.
Петля гистерезиса демонстрирует изменение намагниченности образца из ферромагнитного материала
Общие понятия гистерезиса
Основные определения процесса поясняют следующие практические примеры. Что такое гистерезис в экономике? При рассмотрении данной сферы деятельности можно изучить стандартную организацию экспорта товаров. Для освоения новой территории необходимо выполнить несколько действий:
- изучить потенциальный интерес к определенной продукции с помощью исследования рынка;
- проверить наличие конкурентных предложений;
- создать дилерскую сеть (продажа и техническое обслуживание);
- обеспечить первичную поставку;
- провести рекламную кампанию.
На первоначальном этапе придется приложить достаточно большие усилия. Далее хорошо налаженный торговый механизм будет приносить прибыль в рабочем режиме. На этой стадии большее значение приобретают менее затратные контрольные функции. Если бизнес нужно будет перенести в другой регион, процесс повторяется аналогичным образом с определенной временной задержкой. Приведенный выше график наглядно демонстрирует изменение экономических параметров на примере физических величин.
Гистерезис в электронике
В электронных устройствах гистерезис несёт в основном полезные функции. Допустим это используется в пороговых элементах, например, компараторах и триггерах Шмидта. Ниже вы видите график его состояний:
Это нужно в тех случаях, чтобы устройство сработало при достижении сигнала X, после чего сигнал может начать уменьшаться и устройство не отключилось до тех пор, пока сигнал не упадет до уровня Y. Такое решение используется для подавления дребезга контакта, помех и случайных всплесков, а также в различных регуляторах.
Например, термостат или регулятор температуры. Обычно его принцип действия заключается в том, чтобы отключить нагревательный (или охладительный) прибор в тот момент, когда температура в помещении или другом месте достигла заданного уровня.
Рассмотрим два варианта работы кратко и просто:
- Без гистерезиса. Включение и отключение при заданной температуре. При этом здесь есть нюансы. Если вы установили регулятор температуры на 22 градуса и обогреваете комнату до этого уровня, то как только в комнате будет 22 он выключится, а когда вновь опустится до 21 – включится. Это не всегда правильное решение, потому что ваш управляемый прибор будет слишком часто включаться и отключаться. К тому же в большинстве бытовых и многих производственных задачах нет нужды настолько четкой поддержки температуры.
- С гистерезисом. Чтобы сделать некий зазор в допустимом диапазоне регулируемых параметров применяют гистерезис. То есть, если вы установили температуру в 22 градуса, то, как только она будет достигнута, обогреватель отключится. Допустим, что гистерезис в регуляторе установлен на зазор в 3 градуса, то обогреватель вновь заработает только тогда, когда температура воздуха опустится до 19 градусов.
Иногда этот зазор регулируется на ваше усмотрение. В простых исполнениях используются биметаллические пластины.
Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео, в котором рассказывается, что такое гистерезис и как его можно использовать:
Мы рассмотрели явление и применение гистерезиса в электрике. Итог следующий: в электроприводе и трансформаторах он несет пагубный эффект, а в электронике и разнообразных регуляторах находит и полезное применение. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной и интересной!
Источник
Вещества и их магнитные свойства
Образцы, изготовленные из разных материалов, особым образом реагируют на воздействие магнитного поля. Основные различия определяются магнитной проницаемостью (μ). Это коэффициент (множитель), показывающий разницу векторного значения индукции (B) в этом веществе, по сравнению с вакуумом (B0):
- диамагнетики (μ≤1) – медь, вода, водород;
- парамегнетики (μ≥1) – эбонит, кислород, платина;
- ферромагнетики (μ значительно больше 1) – кобальт, никель, железо.
Магнитопровод
Последняя группа отличается магнетизмом, который сохраняется после удаления внешнего воздействия.
К сведению. При нагреве ферромагнетика на определенном уровне (точка Кюри) магнитные свойства пропадают. Для железа этот показатель составляет +770°C.
Намагниченность (М) можно определить, как разницу между индукциями (B-B0), либо выразить через проницаемость следующей формулой:
М = μ* B0 — B0 = (μ-1)*B0.
3.7 магнитные материалы с прямоугольной петлёй гистерезиса и магнитострикционные
Магнитные материалы с прямоугольной петлёй гистерезиса (ППГ) широко применяются в устройствах автоматики, вычислительной техники и связи. Прямоугольной петлёй гистерезиса обладают магний-марганцевые и литиевые ферриты со структурой шпинели, а также пермаллои с добавками марганца, содержащие в обозначении марки букву П. Сердечники импульсных трансформаторов с ППГ позволяют сформировать импульс тока из синусоидально изменяющегося напряжения или импульс напряжения из синусоидально изменяющегося тока. В случае передачи импульса через такой трансформатор прямоугольная петля гистерезиса сердечника способствует увеличению крутизны его фронтов. Сердечники из материала с ППГ имеют два устойчивых магнитных состояния, соответствующих различным направлениям остаточной магнитной индукции. Именно благодаря этой особенности их использовали в качестве элементов для хранения и переработки двоичной информации.
Основным параметром материала с ППГ является коэффициент прямоугольности петли Кпу, представляющий собой отношение остаточной индукции Вr к максимальной Вм, измеренной при H = 5Hc. Желательно, чтобы Кпу был возможно ближе к единице. Для обеспечения быстрого перемагничивания сердечников они должны также иметь небольшой коэффициент переключения Sq, численно равный количеству электричества на единицу толщины сердечника, которое необходимо для перемагничивания его из одного состояния остаточной индукции в противоположное состояние максимальной индукции. Кроме того, материалы с ППГ должны обеспечивать малое время перемагничивания и возможно большую температурную стабильность магнитных характеристик.
Ферриты с ППГ в практике распространены шире, чем тонкие металлические ленты. Это объясняется тем, что технология изготовления ферритовых сердечников наиболее проста и экономична. Ферриты, предназначенные для коммутационных и логических элементов, имеют малое значение коэрцитивной силы (10–20 А/м), а используемые для хранения дискретной информации – повышенное (100–300 А/м). Прямоугольность петли гистерезиса феррита достигается путём выбора химического состава и условий спекания. При использовании ферритов следует учитывать изменение их свойств от температуры. При возрастании температуры от минус 20 до плюс 60 °С коэрцитивная сила у ферритов различных марок уменьшается в 1,5–2 раза, остаточная индукция – на 15–30 \%, коэффициент прямоугольности – на 5–35 \%. В микроминиатюрных электронных приборах используют плёнки из ферритов с ППГ, наносимые на подложки методом напыления в вакууме.
Ленточные микронные сердечники из пермаллоев с ППГ имеют лучшие магнитные свойства и более высокую температурную стабильность по сравнению с ферритовыми. В интервале температур от минус 20 до плюс 60 °С их свойства практически не изменяются. Однако технология изготовления сердечников из ленты (прокатка до микронной толщины и термообработка, требующая вакуума или атмосферы инертного газа) значительно сложнее, чем спекание их из ферритов.
Магнитострикционные материалы. Магнитострикционными называют магнитные материалы, применение которых основано на явлении магнитострикции и магнитоупругом эффекте, т. е. изменении размеров тела в магнитном поле и магнитных свойств материала под влиянием механических воздействий.
В качестве магнитострикционных материалов применяют чистые металлы, сплавы и различные ферриты. До начала 1960-х годов наиболее широко применяемым материалом для ультразвуковых излучателей являлся никель (константа магнитострикции около –3·10–5); частично он сохраняет свое значение и в настоящее время, хотя постепенно вытесняется другими магнитострикционными материалами, а также пьезоэлектрической керамикой. Ценными свойствами никеля являются высокая стойкость к коррозии и малый температурный коэффициент модуля упругости.
Большой константой магнитострикции (более 10–4) обладает сплав платины с железом, однако он очень дорогой. У железокобальтовых (50 \% Fe, 50 \% Co) и железоалюминиевых (13 \% Al, 87 \% Fe , альфер) сплавов значения константы магнитострикции меньше (соответственно, 7·10–5 и 4·10–5). Их недостатками являются хрупкость, затрудняющая механическую обработку, а также низкая антикоррозионная устойчивость, препятствующая использованию таких преобразователей в водной среде. Ферриты кобальта CoO·Fe2O3, железа FeO·Fe2O3 и никеля NiO·Fe2O3 имеют следующие значения констант магнитострикции: –2·10–4, 4·10–5 и –2·10–5. Они очень устойчивы к коррозии, а благодаря высокому удельному сопротивлению являются высокочастотными материалами; их используют в виде монокристаллов либо в виде керамики. Наиболее широкое применение нашла магнитострикционная керамика на основе феррита никеля.
Из магнитострикционных материалов изготавливают сердечники электромеханических преобразователей (излучателей и приёмников) для электроакустики и ультразвуковой техники, сердечники электромеханических и магнитострикционных фильтров и резонаторов, линий задержки. Их используют также в качестве чувствительных элементов магнитоупругих преобразователей, применяемых в устройствах автоматики и измерительной техники.
Виды гистерезиса в физике
Что является источником магнитного поля
Для решения практических электротехнических задач следует изучить подробно магнитный гистерезис. Полное представление об аналогичных явлениях на основе физических принципов можно получить после рассмотрения сегнетоэлектрических и упругих процессов.
Магнитный гистерезис
В соответствии с базовым определением, это явление обозначает отставание намагниченности (М) материала от изменяющегося воздействия внешнего поля. Для эксперимента можно собрать схему, в которой ток пропускают через соленоид. Регулируют уровень напряженности (Н) с помощью параллельного переменного резистора. Сердечник – из ферромагнетика.
Схема экспериментальной установки
Важно! Представленные зависимости следует рассматривать в комплексе с графиком на первом рисунке.
До начала эксперимента образец обладает нейтральными характеристиками. Намагниченность и напряженность равны нулю, магнитные моменты доменов расположены хаотически. После замыкания цепи и увеличения силы тока увеличивается напряженность. На рисунке показано, как одновременно с этим изменяется направленность моментов. Индукция в образце (B) равна сумме напряженности и намагниченности с корректирующим множителем (μ0):
B = μ0*H + μ0*M.
На определенном уровне показатель μ0*M увеличивается до предельного значения. Последующее изменение напряженности внешнего поля не оказывает на него никакого влияния.
Сегнетоэлектрический гистерезис
Причина особой формы графика в этом примере – образование поляризации без приложения сил внешнего поля. Такой эффект наблюдается в определенном температурном диапазоне. Соответствующие материалы называют сегнетоэлектриками.
Сегнетоэлектрики
На первом рисунке показана петля гистерезиса, где отмечены места:
- точкой «а» – состояние насыщения;
- Pc – остаточная поляризованность;
- -Ec– коэрцитивная сила.
На второй части (2) изображено хаотичное (а) и направленное (б) расположение доменов. Ориентацию вдоль линий электростатического поля применяют для создания конденсаторов с изменяемой емкостью.
К сведению. Как и в других веществах, при повышении температуры до уровня точки Кюри намагниченность пропадает.
Упругий гистерезис
Это явление объясняется особыми механическими свойствами отдельных материалов. Они сохраняют созданную достаточно сильным ударным воздействием форму. Типичный пример – изготовление изделий из металла с применением ковки.
Гистерезис
Ферромагнетики обнаруживают свойство, которое по форме аналогично свойству сегнетоэлектриков, а именно гистерезис. Магнитная индукция (или намагниченность) ферромагнетиков не только не линейна относительно напряженности магнитного поля, но и зависит от истории намагничивания.
Допустим, что мы намагничиваем первоначально не намагниченный ферромагнетик, помещая его внутрь намагничивающей катушки. Увеличим напряжённость поля от нуля, до $H_{1\ }$(рис.1). Зависимость B(H) определена отрезком О1 кривой О1А и при напряженности поля равной $H_{1\ }$ индукция магнитного поля равна $B_{1\ }$. Если теперь уменьшать напряженность магнитного поля, то изменение магнитной индукции будет изображено не отрезком О1.
Готовые работы на аналогичную тему
Курсовая работа Гистерезис намагничивания и кривая Столетова 430 ₽ Реферат Гистерезис намагничивания и кривая Столетова 240 ₽ Контрольная работа Гистерезис намагничивания и кривая Столетова 190 ₽
Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту Узнать стоимость
Рис. 1
Участок OA на рис. 1 называют основной кривой намагничивания, так как включение поля проводят при B=0, постоянной намагниченности нет. Замкнутая кривая ACDFGKSA — петля гистерезиса. Если уменьшать напряжённость магнитного поля от точки А до нуля, то индукция магнитного поля ферромагнетика уменьшится до индукции в точке C. Такая индукция называется остаточной. В этом состоянии ферромагнетик — постоянный магнит.
Для ликвидации остатков магнитного поля следует приложить обратное поле, напряженность которого равна $H_2$. Такая напряженность называется коэрцитивной силой ферромагнетика.
Аналогично рис.1 получается петля на диаграмме намагниченности J(H). Если при этом максимальное значение напряженности поля таково, что намагниченность достигает насыщения, то получают максимальную петлю гистерезиса. Если такового напряжения поля не достигает, то петлю гистерезиса называют частным циклом. Частных циклов может существовать бесконечно много, и все они лежат внутри максимальной петли.
Появились вопросы по этой теме? Задай вопрос преподавателю и получи ответ через 15 минут! Задать вопрос
Гистерезис приводит к тому, что индукция магнитного поля не является однозначной функцией от напряженности. Она существенно зависит от истории намагничивания. Так, в поле с напряженностью $H_1$ индукция может иметь значение в интервале от $B’_1до\ B^{»}_1\ $(рис.1).
Форма петли гистерезиса, остаточная индукция, коэрцитивная сила зависит от вещества ферромагнетика и может существенно изменяться.
Механизм возникновения петли гистерезиса
Эффект Холла
Для подробного изучения этого процесса нужно проанализировать отдельные участки кривой, обозначающей изменение индукции. Описание основных этапов:
- сначала наблюдается смещение границ между соседними доменами;
- далее ориентация моментов изменяется быстро в направлении силовых линий внешнего поля;
- на этой стадии новое расположение границ становится необратимым;
- этот участок характеризуется ростом отдельных доменов до максимального размера, магнитные моменты располагаются в точном соответствии линиям воздействующего поля;
- завершающий участок показывает отсутствие влияния на магнитные моменты напряженности, созданной соленоидом.
Если уменьшить силовые параметры внешнего поля, образуется петля гистерезиса что это такое показывать можно на первой картинке (по направлению стрелок). Следует обратить внимание, что кривые отличаются. Запаздывание индукции соответствует базовым принципам явления. При нулевой напряженности B≠0. Эту величину называют остаточной индукцией. Данная особенность объясняет понятный процесс создания постоянного магнита. Сердечник сохраняет соответствующие свойства даже после отключения источника питания.
Намагниченность можно убрать повешением температуры до уровня точки Кюри определенного материала. Аналогичный результат получают с помощью соответствующего внешнего силового поля (-Hc). Эта напряженность создает коэрцитивную силу, достаточную для размагничивания сердечника из стали либо другого ферромагнетика. Завершенный полностью цикл называют петлей магнитного гистерезиса.
Применение гистерезиса в электротехнике и электронике
Намагниченность материалов и особенности переходных процессов следует учитывать при создании двигателей и трансформаторов. При эксплуатации этого оборудования в цепях переменного тока часть потребляемого электричества необходимо использовать для перемагничивания установленного сердечника. Аналогичные явления наблюдаются при работе коммутационных аппаратов. Изучение гистерезиса помогает увеличить КПД силовых машин и преобразователей напряжения, обеспечить необходимую скорость переключения реле.
Триггер Шмидта
На рисунке показана передаточная характеристика триггера Шмидта. Изменение выходного сигнала с определенным запаздыванием применяют для устранения ошибок при передаче информации. Обычный инвертор реагирует на импульсные помехи немедленным переключением. В данном случае временная задержка выполняет полезные функции фильтра. Она помогает корректно воспринимать управляющие сигналы в сложных условиях эксплуатации.
Такие решения применяют в электронике для исключения проблем при дребезге контактов. Расчетное замедление рабочих реакций можно пояснить с помощью типового терморегулятора. Если такое устройство создано без гистерезиса, переключения будут выполняться слишком часто. Однако в реальных условиях (отопление помещения) вполне достаточна точность ±3°C. Увеличив ширину петли, можно установить оптимальный диапазон для поддержания заданного температурного режима.
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
Использование графического изображения гистерезиса для расчётов
Для наглядного эксперимента можно собрать простую схему, представленную ниже:
- резистором R1 ограничивают переменный ток, проходящий через обмотку катушки;
- с элемента R2 снимают напряжение для формирования картинки на экране осциллографа;
- емкость конденсатора подбирают таким образом, чтобы 1/(w*С) получилось намного меньше R3.
Эксперимент
После подключения к осциллографу на экране можно наблюдать петлю гистерезиса. Это изображение с учетом реального масштаба можно использовать для расчетов и оценки характеристик созданной катушки. В следующем списке приведено соответствие отдельных отрезков рассмотренным выше параметрам:
- ОА – коэрцитивная сила;
- ОС – остаточная индукция;
- ОД – индукция насыщения;
- ОВ – магнитное поле.
К сведению. По установленной площади петли можно определить потери. Размер этой области соответствует работе, которая затрачена на компенсацию коэрцитивных сил. Эта энергия разогревает ферромагнетик и фактически расходуется впустую.
Площадь магнитного гистерезиса
Материалы с магнитными свойствами разделяют на две группы по ширине петли гистерезиса. Магнитомягкие (узкий график) отличаются сравнительно небольшой коэрцитивной силой и соответствующими меньшими энергетическими затратами. Такие изделия применяют для изготовления электродвигателей, приводов, трансформаторов напряжения.
Магнитомягкие и магнитотвердые материалы
Магнитотвердые отличаются увеличенным временем реакции на воздействие внешним полем. Эти материалы используют для создания микросхем памяти, постоянных магнитов.
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».
