Гистерезис для инженеров. Петля гистерезиса. Прерванные процессы на петле гистерезиса. Смена направления процесса. Гистерезис магнитный: описание, свойства, практическое применение

Любой электромагнитный сердечник после действия электрического тока какое-то время сохраняет магнитное поле (остаточный магнетизм). Эта величина зависит от свойств материала, но остаточный магнетизм всегда имеется. Чтобы перемагнитить сердечник, необходим магнитный поток обратного направления. Изменение магнитной индукции не успевает за изменением магнитного потока. Эта задержка по времени намагничивания сердечника из-за изменения направления магнитных потоков и именуется как гистерезис.

Чтобы понять всю сущность этого явления, необходимо рассмотреть способность веществ к намагничиванию.

Магнитные свойства веществ

Все вещества в окружающей нас природе в той или иной мере обладают магнитными свойствами. Еще в глубокой древности была известна удивительная способность некоторых минералов притягивать железные предметы. Среди многочисленных навигационных приборов, необходимых для прокладывания курса корабля или самолета, обязательно присутствует магнитный компас.

В точнейших измерительных приборах к числу основных деталей относятся постоянные магниты. Известно, что сильными магнитными свойствами обладает не только железо. Сюда входят кобальт, никель, сплавы на их основе и некоторые редкоземельные элементы. Все эти вещества и сплавы называют ферромагнетиками. Объединяет их способность к самопроизвольной спонтанной намагниченности.

Это свойство ферромагнетиков используют при создании постоянных магнитов. Наличие в атомах вещества нескомпенсированных магнитных моментов является необходимым условием возникновения ферромагнетизма.

В опыте Эйнштейна по величине закручивания при намагничивании образца было доказано, что ферромагнетизм связан со спиновыми магнитными моментами электронов. Обменное взаимодействие электронов при определенных соотношениях диаметра атома и внутренней незаполненной оболочки приводят к параллельной ориентации спинов.

Она возможна только при положительном значении интеграла обменной энергии.

В конечном счете, в ферромагнетике устанавливается такая ориентация спинов, которая обеспечивает минимальное значение суммы энергий магнитного и обменного взаимодействия.

Область с однородной спонтанной намагниченностью называют доменом. Энергетически наиболее выгодно такое расположение доменов, при котором они создают замкнутую магнитную цепь.

Между соседними доменами с различным направлением намагниченности имеются переходные слои, называемые границами или стенками домена. В них происходит постепенный поворот вектора намагниченности.

Ферромагнитные свойства у веществ существуют только в определенной области температуры. Температура, при которой ферромагнетики полностью теряют ферромагнитные свойства, называют точкой Кюри. Форму и величину доменов на поверхности ферромагнетика можно увидеть под микроскопом

В элементарной кристаллической ячейке железа ребра куба соответствуют направлению наиболее легкого намагничивания кристалла железа. Диагонали граней определяют направление среднего намагничивания.

Направление наиболее трудного намагничивания совпадает с диагоналями куба. Площадь на графике характеризует энергию магнитной анизотропии.

При отсутствии внешнего поля магнитные моменты доменов ориентированы по направлениям легкого намагничивания. В целом образец размагничен.

В слабых полях происходит рост доменов, направление намагниченности которых составляет меньший угол с направлением внешнего поля.

Этот процесс обратим. Если внешнее поле убрать, образец размагнитится. При увеличении внешнего поля происходит дальнейший рост доменов, который приостанавливается из-за дефектов кристалла. Когда поле достигает определенной величины, стенки растущих доменов скачком преодолевают препятствие. За счет этого препятствия кривая намагниченности имеет ступенчатый характер.

Скачкообразные изменения намагниченности создают в катушке соленоида импульсы напряжения. С дальнейшим увеличением поля вектор намагниченности поворачивается от оси легкого намагничивания в сторону внешнего поля, пока они не совпадут.

Гистерезис

Этот участок называют областью технического насыщения ферромагнетика, а соответствующую величину поля, полем насыщения. Если от этой величины поле уменьшить до нуля, в образце сохранится остаточное намагничивание.

Гистерезис – это явление отставания намагниченности от напряженности внешнего поля. Замыкающие домены, создавая замкнутую магнитную цепь, снижают поля рассеивания и уменьшают свободную энергию образца.

Его определяют, как разность величин магнитного насыщения ферромагнетика и намагниченности замыкающих доменов. Чтобы размагнитить образец, необходимо приложить к нему отрицательное поле, называемое коэрцитивной силой. Когда поле достигнет величины насыщения, произойдет полное перемагничивание ферромагнетика.

На графике можно определить еще одно свойство, которое имеет гистерезис. При очередном изменении поля кривая намагничивания замыкает петлю, которую называют петлей гистерезиса.

Гистерезисная петля для условия насыщения называется предельной петлей. Ее площадь пропорциональна потерям энергии на перемагничивание образца. Ферромагнетики намагничиваясь, изменяют свои линейные размеры. Это явление называют магнитострикцией.

Выделяются две основные группы ферромагнитных материалов:

1. Магнитотвердые.
2. Магнитомягкие.

Одно из основных требований к магнитомягким материалам – их высокая коэрцитивная сила. Магнитомягкие материалы намагничиваются до насыщения при небольших полях и имеют малые потери на перемагничивание. От этих параметров зависит потеря энергии трансформатора.

Например, в линии электропередач мощностью 100 х 10 6 ВА с трансформаторами на концах, ежегодные потери составляют около 5 миллионов киловатт-часов. Одним из лучших представителей магнитомягких материалов считают пермаллой – сплав железа и никеля. Намагниченность пермаллоя в слабых полях в десятки раз превосходит намагниченность железа. Магнитные упорядоченные структуры в некоторых веществах отличаются от магнитной структуры ферромагнетиков.

Если в железе, кобальте и никеле спиновые магнитные моменты направлены параллельно, то в хроме и марганце – антипараллельно. Такие вещества называют антиферромагнетиками.

В данном случае магнитные подрешетки с самопроизвольной намагниченностью компенсированы. Если в кристаллах вещества нет полной компенсации магнитных подрешеток, то его называют ферримагнетиком. Феррит – один из примеров ферримагнетиков, который широко используют в технике. Структура ферритов подобна структуре минералов шпинели, в котором ионы неферромагнитных металлов заменены ферромагнитными.

Гистерезис в электротехнике и электронике

Из многообразия примеров использования ферромагнитных материалов расскажем о применении их в запоминающих устройствах. Для оперативного запоминания информации используют память на ферритовых кольцах. Одного ферритового сердечника достаточно для запоминания одного бита информации. В качестве долговременных запоминающих устройств большой емкости служат специальные магнитные диски (триггеры Шмидта).

Также он используется в специальных гистерезисных электромоторах, устройствах шумоподавления (дребезг контактов, колебания и т.д.) при коммутации логических схем.

Во многих электронных устройствах существует тепловой гистерезис. Во время работы приборы нагреваются, а после охлаждения некоторые свойства уже не принимают начальные значения. При нагреве микросхемы, печатной платы, кристаллы полупроводников расширяются, появляется механическое напряжение. При охлаждении это напряжение в какой-то мере остается.

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.

Гистерезис в общем понятии (от греческого – отстающий) — это свойство определенных физических, биологических и иных систем, которые реагируют на соответствующие воздействия с учетом текущего состояния, а также предыстории.

Гистерезис характерен т.н. «насыщением», и различными траекториями соответствующих графиков, отмечающих состояние системы в данный момент времени. Последние, в итоге, имеют форму остроугольной петли.

Если же рассматривать конкретно электротехнику, то каждый электромагнитный сердечник после окончания воздействия электрического тока в течение некоторого времени сохраняет собственное магнитное поле, называемое остаточным магнетизмом.

Его величина зависит, прежде всего, от свойств материала: у закаленной стали она существенно выше, чем у мягкого железа.

Но, в любом случае, явление остаточного магнетизма всегда присутствует при перемагничивании сердечника, когда необходимо размагнитить его до нуля, а затем изменить полюс на противоположный.

Любое изменение направления тока в обмотке электромагнита предусматривает (из-за наличия вышеуказанных свойств материала) предварительное размагничивание сердечника. Только после этого он может поменять свою полярность — это известный закон физики.

Для перемагничивания в обратном направлении необходим соответствующий магнитный поток.

Другими словами: изменение сердечника не «поспевает» за соответствующими изменениями магнитного потока, которое оперативно создает обмотка.

Вот эта временная задержка намагничивания сердечника от изменений магнитных потоков и получило название в электротехнике как гистерезис.

Каждое перемагничивание сердечника предусматривает избавление от остаточного магнетизма путем воздействия противонаправленным магнитным потоком. На практике это приводит к определенным потерям электроэнергии, которые тратятся на преодоление «неправильной» ориентации молекулярных магнитиков.

Последние проявляются в виде выделения тепла, и представляют так называемые затраты на гистерезис.

Таким образом, стальные сердечники, например, статоров или якорей электродвигателей или генераторов, а также , должны иметь по возможности наименьшую корреляционную силу . Это позволит снизить гистерезисные потери, повысив в итоге КПД соответствующего электрического агрегата или прибора.

Сам процесс намагничивания определяется соответствующим графиком – так называемой петлей гистерезиса. Она представляет замкнутую кривую, отображающую зависимость скорости намагничивания от изменения динамики напряженности внешнего поля.

Большая площадь петли подразумевает, соответственно, и большие затраты на перемагничивание.

Также практически во всех электронных приборах наблюдается и такое явление, как тепловой гистерезис – невозвращение после прогрева аппаратуры к изначальному состоянию.

В и явление гистерезиса используется в различных магнитных носителях информации (например, триггерах Шмидта), или в специальных гистерезисных электродвигателях.

Широкое распространение этот физический эффект нашел также в различных устройствах, предназначенных для подавления различных шумов (дребезг контактов, быстрые колебания и т. п.) в процессе переключения логических схем.

Гистерезис (от греч. hysteresis - отставание, запаздывание), явление, которое состоит в том, что физическая величина, характеризующая состояние тела (например, намагниченность), неоднозначно зависит от физические величины, характеризующей внешние условия (например, магнитного поля). Г. наблюдается в тех случаях, когда состояние тела в данный момент времени определяется внешними условиями не только в тот же, но и в предшествующие моменты времени. Неоднозначная зависимость величин наблюдается в любых процессах, т.к. для изменения состояния тела всегда требуется определённое время (время релаксации) и реакция тела отстаёт от вызывающих её причин. Такое отставание тем меньше, чем медленнее изменяются внешние условия Однако для некоторых процессов отставание при замедлении изменения внешних условий не уменьшается. В этих случаях неоднозначную зависимость величин называется гистерезисной, а само явление - Г.

Г. наблюдается в различных веществах и при разных физических процессах. Наибольший интерес представляют: магнитный Г., диэлектрический Г. и упругий Г.

Магнитный Г. наблюдается в магнитных материалах, например в ферромагнетиках. Основной особенностью ферромагнетиков является наличие спонтанной (самопроизвольной) намагниченности. Обычно ферромагнетик намагничен не однородно, а разбит на домены - области однородной спонтанной намагниченности, у которых величина намагниченности (магнитного момента единицы объема) одинакова, а направления различны. Под действием внешнего магнитного поля число и размеры доменов, намагниченных по полю, увеличиваются за счёт др. доменов. Кроме того, магнитные моменты отдельных доменов могут поворачиваться по полю. В результате магнитный момент образца увеличивается.

На рис. 1 изображена зависимость магнитного момента М ферромагнитного образца от напряжённости Н внешнего магнитного поля (кривая намагничивания). В достаточно сильном магнитном поле образец намагничивается до насыщения (при дальнейшем увеличении поля значение М практически не изменяется, точка А). При этом образец состоит из одного домена с магнитным моментом насыщения M s , направленным по полю. При уменьшении напряжённости внешнего магнитного поля Н магнитный момент образца М будет уменьшаться по кривой I преимущественно за счёт возникновения и роста доменов с магнитным моментом, направленным против поля. Рост доменов обусловлен движением доменных стенок. Это движение затруднено из-за наличия в образце различных дефектов (примесей, неоднородностей и т.п.), которые закрепляют доменные стенки в некоторых положениях; требуются достаточно сильные магнитные поля для того, чтобы их сдвинуть. Поэтому при уменьшении поля Н до нуля у образца сохраняется т. н. остаточный магнитный момент M r (точка В).

Образец полностью размагничивается лишь в достаточно сильном поле противоположного направления, называемом коэрцитивным полем (коэрцитивной силой) Н с (точка С). При дальнейшем увеличении магнитного поля обратного направления образец вновь намагничивается вдоль поля до насыщения (точка D). Перемагничивание образца (из точки D в точку А) происходит по кривой II. Т. о., при циклическом изменении поля кривая, характеризующая изменение магнитного момента образца, образует петлю магнитного Г. Если поле Н циклически изменять в таких пределах, что намагниченность насыщения не достигается, то получается непредельная петля магнитного Г. (кривая III). Уменьшая амплитуду изменения поля Н до нуля, можно образец полностью размагнитить (прийти в точку О). Намагничивание образца из точки О происходит по кривой IV.

При магнитном Г. одному и тому же значению напряжённости внешнего магнитного поля Н соответствуют разные значения магнитного момента М. Эта неоднозначность обусловлена влиянием состояний образца, предшествующих данному (т. е. магнитной предысторией образца).

Вид и размеры петли магнитного Г., величина Н с в различных ферромагнетиках могут меняться в широких пределах. Например, в чистом железе Нс= 1 э, в сплаве магнико Нс= 580 э. На петлю магнитного Г. сильно влияет обработка материала, при которой изменяется число дефектов (рис. 2).

Площадь петли магнитного Г. равна энергии, теряемой в образце за один цикл изменения поля. Эта энергия идёт, в конечном счёте, на нагревание образца. Такие потери энергии называются гистерезисными. В тех случаях, когда потери на Г. нежелательны (например, в сердечниках трансформаторов, в статорах и роторах электрических машин), применяют магнитномягкие материалы, обладающие малым Нс и малой площадью петли Г. Для изготовления постоянных магнитов, напротив, требуются магнитножёсткие материалы с большим Нс.

С ростом частоты переменного магнитного поля (числа циклов перемагничивания в единицу времени) к гистерезисным потерям добавляются др. потери, связанные с вихревыми токами и магнитной вязкостью. Соответственно площадь петли Г. при высоких частотах увеличивается. Такую петлю иногда называют динамической петлей, в отличие от описанной выше статической петли.

От магнитного момента зависят многие др. свойства ферромагнетика, например электрическое сопротивление, механическая деформация. Изменение магнитного момента вызывает изменение и этих свойств. Соответственно наблюдается, например, гальваномагнитный Г., магнитострикционный Г.

Диэлектрический Г. наблюдается обычно в сегнетоэлектриках, например титанате бария. Зависимость поляризации Р от напряжённости электрического поля Е в сегнетоэлектриках (рис. 3) подобна зависимости М от Н в ферромагнетиках и объясняется наличием спонтанной электрической поляризации, электрических доменов и трудностью перестройки доменной структуры. Гистерезисные потери составляют большую часть диэлектрических потерь в сегнетоэлектриках.

Поскольку с поляризацией связаны др. характеристики сегнетоэлектриков, например деформация, то с диэлектрическим Г. связаны др. виды Г., например пьезоэлектрический Г. (рис. 4), Г. электрооптического эффекта. В некоторых случаях наблюдаются двойные петли диэлектрического Г. (рис. 5). Это объясняется тем, что под влиянием электрического поля в образце происходит фазовый переход с перестройкой кристаллической структуры. Такого рода диэлектрический Г. тесно связан с Г. при фазовых переходах.

Упругий Г., т. е. гистерезисная зависимость деформации и от механического напряжения s, наблюдается в любых реальных материалах при достаточно больших напряжениях (рис. 6). Упругий Г. возникает всякий раз, когда имеет место пластическая (неупругая) деформация (см. Пластичность). Пластическая деформация обусловлена перемещением дефектов, например дислокаций, всегда присутствующих в реальных материалах. Примеси, включения и др. дефекты, а также сама кристаллическая решётка стремятся удержать дислокацию в определенных положениях в кристалле. Поэтому требуются напряжения достаточной величины, чтобы сдвинуть дислокацию. Механическая обработка и введение примесей приводят к закреплению дислокаций, в результате чего происходит упрочнение материала, пластическая деформация и упругий Г. наблюдаются при больших напряжениях. Энергия, теряемая в образце за один цикл, идёт в конечном счёте на нагревание образца. Потери на упругий Г. дают вклад во внутреннее трение. В случае упругих деформаций, помимо гистерезисных, есть и др. потери, например обусловленные вязкостью. Величина этих потерь, в отличие от гистерезисных, зависит от частоты изменения s (или и). Иногда понятие "упругий Г." употребляется шире - говорят о динамической петле упругого Г., включающей все потери на данной частоте.

Лит.: Киренский Л. В., Магнетизм, 2 изд., М., 1967; Вонсовский С. В., Современное учение о магнетизме, М. - Л., 1952; Бозорт Р., Ферромагнетизм, пер. с англ., М., 1956; Иона Ф., Ширане Д., Сегнетоэлектрические кристаллы, пер. с англ., М., 1965; Постников В. С., Внутреннее трение в металлах, М., 1969; Физический энциклопедический словарь, т. 1, М., 1960.

А. П. Леванюк, Д. Г. Санников.

Биологические и физические системы способны мгновенно откликаться на приложенное к ним воздействие. Если рассмотреть это явление на временной оси координат, то становится заметно, что отклик зависит от предыстории системы и ее текущего состояния. График, который наглядно демонстрирует это свойство систем, получил название петли гистерезиса, которая отличается остроугольной формой.

Оригинальная форма петли обусловлена эффектом насыщения и неравномерностью траектории между соседними расстояниями. Эффект гистерезиса имеет кардинальные отличия от инерционности, с которой его часто путают, забывая о том, что монотонное сопротивление существенно отличается от мгновенного сопротивления на воздействие.

Петля гистерезиса является циклом, в ходе которого часть свойств системы используются независимо от воздействий, а часть – отправляется на повторную проверку.

Явление гистерезиса в физике

В физике наиболее часто системы сталкиваются со следующими видами гистерезиса:

• Магнитный – отражает зависимость между векторами напряжения магнитного поля и намагничивания в веществе. Это явление объясняет существование постоянных магнитов.
• Сепнгетоэлектрический – зависимость между поляризацией сегнетоэлектриков и изменения внешнего электрического поля.
• Упругий – зависимость деформации упругих материалов от воздействия высоких давлений. Это явление лежит в основе великолепных механических характеристик изделий из кованого метала.

Упругий гистерезис встречается двух основных видов – статический и динамический. В первом случае петля будет равномерной, во втором – постоянно меняющейся.

Применение гистерезиса в электронике

В электротехнике широко применяются устройства, в основе которых лежат магнитные взаимодействия. Наиболее распространение получили магнитные носители данных. Понимание гистерезиса необходимо для подавления в них шумов, таких как быстрые колебания или дребезжание контактов.

В большинстве электронных приборов наблюдается явление теплового гистерезиса. В процессе работы устройства нагреваются, а после охлаждения ряд характеристик уже не могут принять первоначальные явления.

Так, в процессе нагрева происходит расширение микросхем и печатных плат, полупроводниковых кристаллов. В результате развивается механическое напряжение, воздействие которого на элементы системы сохраняется после остывания. Особенно ярко тепловой гистерезис проявляется в высокоточных источниках опорного напряжения.