Петля гистерезиса

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.

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.

Последняя группа отличается магнетизмом, который сохраняется после удаления внешнего воздействия.

Намагниченность (М) можно определить, как разницу между индукциями (B-B0), либо выразить через проницаемость следующей формулой:

М = μ* B0 — B0 = (μ-1)*B0.

Виды гистерезиса в физике

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

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.

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.

Механизм возникновения петли гистерезиса

Для подробного изучения этого процесса нужно проанализировать отдельные участки кривой, обозначающей изменение индукции. Описание основных этапов:

1. сначала наблюдается смещение границ между соседними доменами;
2. далее ориентация моментов изменяется быстро в направлении силовых линий внешнего поля;
3. на этой стадии новое расположение границ становится необратимым;
4. этот участок характеризуется ростом отдельных доменов до максимального размера, магнитные моменты располагаются в точном соответствии линиям воздействующего поля;
5. 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.

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.

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.

Видео

https://www.youtube.com/watch?v=dub1kKqHGk8

Автор:

Гaличeв Илья Виктoрoвич