Histerezisul este un concept complex al proceselor care au loc în sisteme și substanțe, care sunt capabile să acumuleze energie diferită, în timp ce viteza și intensitatea creșterii sale diferă de curba scăderii sale atunci când se elimină impactul. În traducerea din limba greacă, conceptul de histerezis se traduce prin întârziere, deci ar trebui înțeles ca o întârziere a unui proces în raport cu altul. Nu este necesar ca efectul de histerezis să fie caracteristic numai mediilor magnetice.
Tabel de conținut:
Această proprietate apare în multe alte sisteme și medii:
- hidraulică;
- cinematică;
- electronică;
- biologie;
- economie.
Conceptul este utilizat în special la reglarea regimurilor de temperatură în sistemele de încălzire.
Cuprins
Ne vom concentra în mod specific asupra histerezisului în ingineria electronică, asociat cu procesele magnetice în diferite substanțe. Acesta arată cum se comportă un material sau altul în câmpul electromagnetic, iar acest lucru vă permite astfel să construiți grafice de dependență și să efectuați unele citiri ale mediilor în care se află aceste materiale. De exemplu, acest efect este utilizat în activitatea de termoregulator.
Considerând mai în detaliu conceptul de histerezis și efectul asociat cu acesta, puteți observa o astfel de caracteristică. O substanță care are această caracteristică este capabilă să intre în saturație. Adică, aceasta este starea în care nu mai este capabilă să acumuleze energie în sine. Și atunci când luăm în considerare procesul pe exemplul materialelor feromagnetice, energia este exprimată prin magnetizare, care apare datorită legăturilor magnetice existente între moleculele substanței. Și acestea creează momente magnetice — dipoli, care în starea obișnuită sunt direcționați haotic.
Magnetizarea în acest caz este adoptarea unei anumite direcții de către momentele magnetice. Dacă acestea sunt direcționate haotic, feromagnetul este considerat demagnetizat. Dar atunci când dipolii sunt direcționați într-o singură direcție, materialul este magnetizat. În funcție de gradul de magnetizare a miezului bobinei, putem aprecia magnitudinea câmpului magnetic creat de curentul care circulă prin acesta.
Maeștrii pe toate mâinile vor fi interesați de articolul privind modul de conectare a luminilor de rulare pe cont propriu.
Procesul fizic al histerezisului
Pentru a înțelege în detaliu procesul de histerezis , este necesar să se studieze în detaliu următoarele concepte:
- Câmpul magnetic — un mediu care este creat de liniile de inducție magnetică formate de un curent care circulă printr-un conductor sau creat de momente magnetice strict direcționate într-un magnet permanent.
- Vectorul inducție magnetică — o mărime care indică direcția de propagare a unui câmp magnetic, notată cu litera B majusculă.
- Magnetizare — starea unei substanțe în care aceasta are încă dipoli magnetici direcționali. În fizică și inginerie electrică, se notează cu litera M.
- Intensitatea câmpului magnetic — o valoare care caracterizează diferența dintre B și M, notată cu litera H.
În ceea ce privește materialele în care efectul de histerezis este cel mai bine observat, acestea sunt feromagnetice. Acesta este un amestec de elemente chimice care este capabil să se magnetizeze datorită direcționalității dipolilor magnetici, deci include de obicei metale precum:
- fier;
- cobalt;
- nichel;
- compuși pe baza acestora.
Pentru a vedea histerezisul , este necesar să se aplice o tensiune alternativă unei bobine cu un miez din material feromagnetic. În acest caz, programul de magnetizare nu va depinde de magnitudinea sa, deoarece efectul depinde direct de proprietățile materialului în sine și de magnitudinea cuplajului magnetic dintre elementele substanței.
Punctul fundamental atunci când se ia în considerare conceptul de histerezis în electronică este doar inducția magnetică B, creată în jurul bobinei atunci când este aplicată tensiunea. Ea se determină conform formulei standard ca produs al permitivității magnetice dielectrice a substanței cu suma intensității câmpului și a magnetizării.
Pentru a înțelege principiul general al efectului de histerezis, este necesar să folosim graficul . Acesta arată bucla de magnetizare din starea de demagnetizare completă. Secțiunea poate fi etichetată cu numerele 0-1. Cu o tensiune și o durată suficiente de expunere a materialului la câmpul magnetic, graficul atinge punctul său extrem de-a lungul traiectoriei indicate. Procesul nu urmează o linie dreaptă, ci o curbă cu o anumită curbură, care caracterizează proprietățile materialului. Cu cât există mai multe legături magnetice între moleculele din material, cu atât acesta ajunge mai repede la saturație.
După ce tensiunea este eliminată din bobină, intensitatea câmpului magnetic scade la zero. Aceasta este zona din graficul 1-2. În același timp, materialul rămâne magnetizat datorită direcționalității momentelor magnetice. Dar magnitudinea magnetizării este ceva mai mică decât la saturație. Dacă se observă un astfel de efect într-o substanță, aceasta aparține feromagnetismului, capabil să acumuleze un câmp magnetic datorită legăturilor magnetice puternice dintre moleculele substanței.
Atunci când polaritatea tensiunii aplicate bobinei este inversată, procesul de demagnetizare continuă de-a lungul aceleiași curbe până la saturație . Numai în acest caz momentele magnetice ale dipolilor vor fi direcționate în sens opus. Cu frecvența rețelei procesul se va repeta periodic, descriind un grafic, care a primit numele — buclă de histerezis magnetic.
Dacă un feromagnet este magnetizat în mod repetat cu o intensitate mai mică decât saturația, atunci se poate obține o familie de curbe, din care se poate construi un grafic general, care caracterizează starea substanței de la complet demagnetizată la complet magnetizată.
Histerezisul în diferite materiale
Histerezisul este un concept complex care caracterizează capacitatea unei substanțe de a stoca energia unui câmp magnetic sau a unei alte mărimi datorită legăturilor magnetice existente între moleculele substanței sau particularităților de funcționare a sistemului. Dar nu numai aliajele de fier, cobalt și nichel pot avea acest efect. Titanatul de bariu va da un rezultat ușor diferit dacă este plasat într-un câmp cu o anumită intensitate.
Deoarece este un segmentelectric, prezintă histerezis dielectric. Bucla de histerezis inversă este formată de polaritatea opusă a tensiunii aplicate mediului, iar mărimea câmpului opus care acționează asupra materialului se numește forță coercitivă.
În același timp, valoarea câmpului poate precede intensități diferite, ceea ce se datorează particularităților stării actuale a dipolilor — momente magnetice după magnetizarea trecută. Procesul este influențat și de diverse impurități conținute în material. Cu cât numărul acestora este mai mare, cu atât este mai dificilă deplasarea pereților dipolilor, astfel încât rămâne așa-numita magnetizare reziduală.
Ce afectează bucla de histerezis?
S-ar părea că histerezisul este mai degrabă un efect intern, care nu este vizibil pe suprafața materialului, dar depinde puternic nu numai de tipul de material în sine, ci și de calitatea și tipul prelucrării sale mecanice. De exemplu, fierul intră în saturație la o intensitate de 1 e, în timp ce un magnetoaliu își atinge punctul critic numai la 580 e. Cu cât există mai multe defecte la suprafața unui material, cu atât este necesară o intensitate mai mare a câmpului magnetic pentru a-l aduce în saturație.
Ca urmare a magnetizării și demagnetizării, în material se eliberează energie termică, care este egală cu aria buclei de histerezis. De asemenea, efectul curenților turbionari și vâscozitatea magnetică a substanței pot fi atribuite pierderilor în feromagnetism. Acest lucru se observă de obicei atunci când frecvența câmpului magnetic este modificată în sus.
În funcție de comportamentul unui feromagnet într-un mediu cu câmp magnetic, se face distincția între histerezis static și dinamic. Prima este observată la frecvența nominală a tensiunii, dar pe măsură ce aceasta crește, aria graficului crește, ceea ce duce la o creștere a pierderilor.
Alte proprietăți
În plus față de histerezisul magnetic, se face o distincție și între efectele galvanomagnetice și magnetostrictive . În aceste procese, există o schimbare a rezistenței electrice datorită deformării mecanice a materialului. Segnetoelectricele sub acțiunea forțelor de deformare sunt capabile să producă curent electric, ceea ce este explicat prin histerezis piezoelectric. Există, de asemenea, conceptul de histerezis electro-optic și dublu dielectric. Acest din urmă proces este, de obicei, cel mai interesant, deoarece este însoțit de un complot dublu în zonele care se apropie de punctele de saturație.
Histerezisul în încălzire
Definiția histerezisului nu se aplică numai la feromagneticele utilizate în electronică. Un astfel de proces poate apărea și în termodinamică. De exemplu, la organizarea încălzirii de la un cazan pe gaz sau electric. Componenta de reglare din sistem este un termoregulator. Dar numai valoarea controlată este temperatura apei din sistem.
Când scade la nivelul setat, cazanul pornește și începe să încălzească până la valoarea setată. După aceea, se oprește și procesul se repetă într-un ciclu. Dacă efectuați citiri ale temperaturii în timpul încălzirii și răcirii sistemului la fiecare ciclu de pornire și oprire a încălzirii, veți obține un grafic sub forma unei bucle de histerezis, care se numește histerezis al cazanului.
În astfel de sisteme, histerezisul este exprimat în temperatură . De exemplu, dacă este de 4°C și temperatura agentului de încălzire este setată la 18°C, cazanul se va opri atunci când va atinge valoarea de 22°C. Astfel, este posibil să se stabilească orice regim de temperatură acceptabil în incintă. Iar termostatul este, de fapt, un senzor de temperatură sau un termostat, care pornește sau oprește încălzirea atunci când sunt atinse pragurile inferior și, respectiv, superior.
