Какво представлява хистерезисната верига? Хистерезис в електротехниката. Магнитни свойства на веществата

Хистерезисът е сложна концепция за процеси, протичащи в системи и вещества, които са способни да акумулират различни енергии, докато скоростта и интензивността на нейното нарастване се различават от кривата на нейното намаляване, когато въздействието бъде премахнато. Преведено от гръцки, понятието хистерезис се превежда като изоставане и следователно трябва да се разбира като забавяне на един процес по отношение на друг. В този случай изобщо не е необходимо хистерезисният ефект да е характерен само за магнитните среди.

Това свойство се проявява в много други системи и среди:

• хидравлика;
• кинематика;
• електроника;
• биология;
• икономика.

Концепцията се използва особено често при регулиране на температурните условия в отоплителните системи.

Характеристики на физическото явление

Ще се съсредоточим върху хистерезис в електронните технологиисвързани с магнитни процеси в различни вещества. Той показва как този или онзи материал се държи в електромагнитно поле и по този начин позволява да се изградят графики на зависимостта и да се вземат някои показания на средата, в която се намират същите тези материали. Например, този ефект се използва при работата на термостат.

Разглеждайки по-подробно концепцията за хистерезис и свързания с нея ефект, може да се забележи такава характеристика. Вещество с тази характеристика е способно да се насища. Тоест това е състояние, в което то вече не е в състояние да натрупва енергия в себе си. И когато разглеждаме процеса, използвайки примера на феромагнитни материали, енергията се изразява чрез намагнитване, което възниква поради съществуващата магнитна връзка между молекулите на веществото. И те създават магнитни моменти - диполи, които в нормално състояние са насочени хаотично.

Намагнитване в този случай– това е възприемането от магнитни моменти на определена посока. Ако те са насочени хаотично, тогава феромагнетикът се счита за демагнетизиран. Но когато диполите са насочени в една посока, материалът се магнетизира. По степента на намагнитване на сърцевината на намотката може да се прецени стойността магнитно полесъздаден от протичащия през него ток.

Физически процес по време на хистерезис

За да разберете подробно процеса на хистерезис, трябва да проучите задълбочено следните понятия:

Що се отнася до материалите, при които най-добре се наблюдава хистерезисният ефект, това са феромагнетиците. Това е смес химически елементи, който е способен на намагнитване поради насочеността на магнитните диполи, следователно Обикновено съставът съдържа метали като:

• желязо;
• кобалт;
• никел;
• съединения на тяхна основа.

За да видите хистерезис, трябва да се приложи променливо напрежение към намотката с феромагнитна сърцевина. В същото време графиката на намагнитване няма да зависи много от неговата величина, тъй като ефектът зависи пряко от свойствата на самия материал и от големината на магнитната връзка между елементите на веществото.

Основната точка при разглеждането на концепцията за хистерезис в електрониката е именно магнитната индукция B, създадена около бобината, когато се приложи напрежение. Определя се по стандартната формула като произведение на магнитната диелектрична проницаемост на дадено вещество и сумата от напрегнатостта на полето и намагнитването.

Да разбера общ принципхистерезис ефект , трябва да използвате графика. Той показва контур на намагнитване от състояние на пълно размагнитване. Зоната може да бъде обозначена с числа 0-1. При достатъчно напрежение и продължителност на излагане на магнитното поле върху материала, графиката достига своята крайна точка по посочената траектория. Процесът се извършва не по права линия, а по крива с определен завой, който характеризира свойствата на материала. Колкото повече магнитни връзки има между молекулите в едно вещество, толкова по-бързо то достига насищане.

След отстраняване на напрежението от намотката силата на магнитното поле пада до нула. Това е областта на графика 1-2. В този случай материалът остава намагнетизиран поради посоката на магнитните моменти. Но големината на намагнитването е малко по-ниска, отколкото при насищане. Ако такъв ефект се наблюдава в вещество, то принадлежи към феромагнетици, способни да натрупват магнитно поле поради силни магнитни връзки между молекулите на веществото.

При промяна на полярността на напрежението, подадено към намотката, процесът на размагнитване продължава по същата крива до насищане. Само в този случай магнитните моменти на диполите ще бъдат насочени в обратна посока. С мрежовата честота процесът ще се повтаря периодично, описвайки графика, наречена верига на магнитния хистерезис.

Когато феромагнетик е многократно магнетизиран до по-малък интензитет, отколкото когато е наситен, може да се получи семейство от криви, от които може да се конструират общ график, характеризиращ състоянието на веществото от напълно демагнетизирано до напълно магнетизирано.

Хистерезисът е сложно понятие, характеризиращ способността на веществото да акумулира енергията на магнитно поле или друго количество поради съществуващите магнитни връзки между молекулите на веществото или работните характеристики на системата. Но не само сплавите на желязо, кобалт и никел могат да имат този ефект. Бариевият титанат ще даде малко по-различен резултат, ако се постави в поле с определен интензитет.

Тъй като е фероелектрик, в него се наблюдава диелектричен хистерезис. Обратна хистерезисна верига се образува, когато напрежението, приложено към средата, е с противоположна полярност, а големината на противоположното поле, действащо върху материала, се нарича коерцитивна сила.

В този случай напрегнатостта на полето може да предшества различни интензитети, което е свързано с особеностите на действителното състояние на диполите - магнитни моменти след предишното намагнитване. Различни примеси също влияят на процесасъдържащи се в материала. Колкото повече са те, толкова по-трудно се движат стените на диполите, така че остава така нареченото остатъчно намагнитване.

Какво влияе на хистерезисната верига?

Изглежда, че хистерезисът е повече вътрешен ефект , което не се вижда на повърхността на материала, но силно зависи не само от вида на самия материал, но и от качеството и вида му механична обработка. Например желязото преминава в състояние на насищане при напрежение от 1 Oe, а магнико сплавта достига критичната си точка едва при 580 Oe. Колкото повече дефекти има на повърхността на даден материал, толкова по-голяма е силата на магнитното поле, необходима за достигането му до насищане.

В резултат на намагнитване и размагнитване материалът се освобождава Термална енергия, което е равно на площта на хистерезисната верига. Също така загубите във феромагнетика включват ефекта на вихрови токове и магнитния вискозитет на веществото. Това обикновено се наблюдава, когато честотата на магнитното поле се промени нагоре.

В зависимост от естеството на поведението на феромагнетика в среда с магнитно поле има статичен и динамичен хистерезис. Първият се наблюдава при номиналната честота на напрежението, но с увеличаването му площта на графиката се увеличава, което също води до увеличаване на загубите.

Други имоти

В допълнение към магнитния хистерезис има и галвомагнитни и магнитострикционни ефекти. Има промяна в тези процеси електрическо съпротивлениепоради механична деформация на материала. Сегнетоелектриците под въздействието на деформационни сили са способни да произвеждат електричество, което се обяснява с пиезоелектричен хистерезис. Съществува и концепцията за електрооптичен и двоен диелектричен хистерезис. Последният процес обикновено представлява най-голям интерес, тъй като е придружен от двойна графика в зони, приближаващи точките на насищане.

Определението за хистерезис се отнася не само за феромагнетици, използвани в електрониката. Този процес също може да възникне в термодинамиката. Например, когато организирате отопление от газов или електрически котел. Регулиращият компонент в системата е термостатът. Но единствената контролирана променлива е температурата на водата в системата.

Когато падне до предварително зададено ниво, котелът се включва, започвайки нагряване до предварително зададената стойност. След това се изключва и процесът се повтаря в цикъл. Ако отчитате температурата при отопление и охлаждане на системата при всеки цикъл на включване и изключване на отоплението, ще получите графика под формата на хистерезисна верига, която се нарича хистерезис на котела.

В такива системи хистерезисът се изразява в температура. Например, ако е 4°C и температурата на охлаждащата течност е настроена на 18°C, тогава котелът ще се изключи, когато достигне 22°C. По този начин можете да персонализирате всеки приемлив температурен режимна закрито. Термостатът всъщност е температурен датчик или термостат, който включва или изключва отоплението при достигане съответно на долния и горния праг.

За да разберете по-добре какво представлява магнитният хистерезис, трябва да разберете къде и при какви условия възниква.

Основни понятия

Магнитно поле- това е един от компонентите електромагнитно поле, характеризиращ се със силното си въздействие върху движещи се заредени частици.

Вектор на магнитна индукция B– това е основната сила на магнитното поле.

Намагнитване Ме величина, която характеризира магнитното състояние на веществото.

Сила на магнитното полее характеристика на магнитното поле, която е равна на разликата между магнитна индукция и намагнитване.

Феромагнитен материале материал, чието намагнитване зависи от силата на външното магнитно поле.

Да кажем, че имаме намотка, вътре в която има сърцевина, изработена от феромагнитен материал. Обикновено такова ядро ​​се състои от желязо, никел, кобалт и различни съединения на тяхна основа. Ако го свържете към източник на променлив ток, тогава около намотката се образува магнитно поле, което ще се промени според закона

B (H) графика

Секция 0-1 се нарича начална крива на намагнитване. Благодарение на него можем да видим как се променя магнитната индукция в демагнетизирана бобина.

След насищане (т.е. точка 1) с намаляване на силата на магнитното поле до нула (раздел 1-2), виждаме, че сърцевината остава намагнетизирана от стойността на остатъчната намагнитност Br. Това се нарича феномен на магнитен хистерезис.

От гледна точка на физиката остатъчната магнетизация се обяснява с факта, че във феромагнетиците има силни магнитни връзки между молекулите, поради което се създават произволно насочени магнитни моменти. Под въздействието на външно поле те приемат посоката на полето и след отстраняването му част от магнитните моменти остават насочени. Следователно веществото остава намагнетизирано.

След промяна на посоката на тока в намотката, размагнитването продължава (участък 2-3) до пресичане на оста x. Раздел 3-0 се нарича коерцитивна сила Hc. Това е стойността, която е необходима за унищожаване на полето в ядрото. След това, по подобен начин, сърцевината се магнетизира до насищане (секция 3-4) и се демагнетизира обратно в секции 4-5 и 5-6, последвано от намагнитване до точка 1. Цялата тази графика се нарича магнитен хистерезис.

Ако многократно магнетизирате сърцевината със сила на магнитното поле и индукция, по-ниска от тази при насищане, можете да получите семейство от криви, от които впоследствие можете да конструирате основната крива на магнетизиране (0-1-2). Тази крива често се изисква при електрически изчисления на магнитни системи.

В зависимост от ширината на хистерезисната верига феромагнитните материали се делят на магнитотвърди и магнитомеки. Твърдите магнитни вещества имат високи стойности на остатъчна намагнитност и коерцитивна сила. Меките магнитни вещества, като например електротехническата стомана, се използват в трансформатори, електрически машини, електромагнити, поради тяхната ниска коерцитивна сила и от голямо значениемагнитна пропускливост.

Хистерезис (от гръцки хистерезис - изоставане) - физическо явление, при които има забавяне на изменението на състоянието на системата от изменението на физичната величина, която определя външните условия.
Например, забавянето на промяна в намагнитването на феромагнетик от промяна в силата на магнитното поле; забавяне на промяната в поляризацията на фероелектрика от промяната в електрическото поле.
Наблюдава се в случаите, когато се определя състоянието на системата външни условияне само в даден момент от времето, но и в предишни моменти. Хистерезис се наблюдава в различни клонове на физиката. Най-важните са: магнитен хистерезис, фероелектричен хистерезис и еластичен хистерезис.

Същността на това явление може да се обясни с помощта на примера за работа на термостат.
Помислете за използване на термостат, настроен да поддържа температура от 20°C електрически нагревател. Ако биметалната пластина, която управлява нагревателя, който се деформира при промяна на температурата, нямаше хистерезис, нагревателят щеше да се включва и изключва много често, което би довело до бързо износване на контактите. Реално регулаторът се включва при 19 °C и се изключва при приблизително 21 °C. В този случай механичната инерция на биметалната плоча и топлинната инерция на нагревателя пораждат явлението хистерезис, превключването на режима се извършва с ниска честота и температурата в термостата варира в определен диапазон близо до зададената стойност ( ориз. 1).

Снимка 1

Хистерезисът се характеризира с феномена на „насищане“, както и с несходството на траекториите между екстремни състояния, оттук и наличието на остроъгълна верига в графиките, наречена хистерезисна верига. Нееднозначната зависимост на състоянието на системата от физична величина (с циклична промяна) се изобразява чрез хистерезисна верига ( ориз. 2)

Фигура 2

В електрониката и електротехниката се използват устройства, които имат магнитен хистерезис - различни магнитни носители за съхранение или електрически хистерезис, например тригер на Шмит или хистерезисен двигател. Хистерезисът се използва за потискане на шума (бързи трептения, отскачане на контакт) при превключване на логически сигнали. Например тригер на Шмит ( ориз. 3).

Фигура 3. Хистерезисната верига за тригера на Шмит е правоъгълна.
При всички видове електронни устройства се наблюдава явлението термичен хистерезис: след нагряване на устройството и последващо охлаждане до първоначалната температура, параметрите му не се връщат към първоначалните стойности. Поради различните топлинно разширениеполупроводникови кристали, кристални държачи, микросхемни пакети и печатни платкиВ кристалите възникват механични напрежения, които продължават дори след охлаждане. Феноменът на термичния хистерезис е най-забележим в прецизните референтни напрежения, използвани в измервателните аналогово-цифрови преобразуватели. В съвременните микросхеми относителното изместване на референтното напрежение поради термичен хистерезис е от порядъка на 10-100

В електротехниката има различни устройства, на които се основава принципът на действие електромагнитни явления. Когато има сърцевина, върху която е навита намотка от проводящ материал, като мед, се наблюдават взаимодействия, дължащи се на магнитни полета. Това са релета, стартери, контактори, електродвигатели и магнити. Сред характеристиките на ядрата има такава характеристика като хистерезис. В тази статия ще разгледаме какво представлява, както и ползите и вредите от това явление.

Дефиниция на понятието

Думата „хистерезис“ има гръцки корени и се превежда като изоставане или изоставане. Този термин се използва в различни областинауката и технологиите. В общ смисъл понятието хистерезис разграничава различно поведениесистеми под противоположни влияния.

Това може да се каже и повече с прости думи. Да кажем, че има някаква система, на която може да се влияе в няколко посоки. Ако при въздействие върху нея в пряка посока след спиране системата не се връща в първоначалното си състояние, а се установява в междинно състояние, то за да се върне в първоначалното й състояние, е необходимо да се действа в различно посока с известна сила. В този случай системата има хистерезис.

Понякога това явление се използва за полезни цели, например за създаване на елементи, които работят при определени прагови стойности на действащите сили и за регулатори. В други случаи хистерезисът има пагубен ефект; нека разгледаме това на практика.

Хистерезис в електротехниката

В електротехниката хистерезисът е важна характеристиказа материали, от които са изработени сърцевините на електрическите машини и апарати. Преди да продължим с обясненията, нека разгледаме кривата на намагнитване на сърцевината.

Изображение на графика от този тип се нарича още хистерезис.

важно!В този случай говорим за хистерезис на феромагнетици; тук става въпрос за нелинейна зависимост на вътрешната магнитна индукция на материала от величината на външната магнитна индукция, която зависи от предишното състояние на елемента.

Когато токът тече през проводник, около него се появява магнитно поле. Ако навиете жица в намотка и прекарате ток през нея, ще получите електромагнит. Ако поставите сърцевина вътре в бобината, нейната индуктивност ще се увеличи, както и силите, възникващи около нея.

От какво зависи хистерезисът? Съответно, сърцевината е изработена от метал, неговите характеристики и крива на намагнитване зависят от неговия тип.

Ако използвате например закалена стомана, хистерезисът ще бъде по-широк. При избора на така наречените меки магнитни материали графикът ще се стесни. Какво означава това и за какво е?

Факт е, че когато такава бобина работи във верига с променлив ток, токът тече в една или друга посока. В резултат на магнитните сили полюсите постоянно се обръщат. При бобина без сърцевина това става по принцип едновременно, но при сърцевина нещата са различни. Постепенно се магнетизира, магнитната му индукция нараства и постепенно достига почти хоризонтален участък на графиката, който се нарича участък на насищане.

След това, ако започнете да променяте посоката на тока и магнитното поле, ядрото ще трябва да се магнетизира отново. Но ако просто изключите тока и по този начин премахнете източника на магнитното поле, сърцевината все още ще остане намагнетизирана, макар и не толкова. В следващата графика това е точка "А". За да се демагнетизира до първоначалното му състояние, е необходимо да се създаде отрицателна сила на магнитното поле. Това е точка "Б". Съответно токът в бобината трябва да тече в обратна посока.

Стойността на силата на магнитното поле за пълно размагнитване на сърцевината се нарича коерцитивна сила и колкото по-ниска е тя, толкова по-добре в този случай.

Обръщането на намагнитването в обратна посока ще се извърши по подобен начин, но по долния клон на цикъла. Тоест, когато работите във верига с променлив ток, част от енергията ще се изразходва за обръщане на намагнитването на сърцевината. Това води до факта, че ефективността на електродвигателя и трансформатора намалява. Съответно това води до неговото нагряване.

важно!Колкото по-ниски са хистерезисът и коерцитивната сила, толкова по-ниски са загубите, дължащи се на обръщане на намагнитването на сърцевината.

В допълнение към описаното по-горе, хистерезисът е характерен и за работата на релета и други електромагнитни превключващи устройства. Например ток на отваряне и затваряне. Когато релето е изключено, трябва да се подаде определен ток, за да работи. В този случай токът за задържане във включено състояние може да бъде много по-нисък от тока на включване. Той ще се изключи само когато токът падне под задържания ток.

Хистерезис в електрониката

В електронните устройства хистерезисът има предимно полезни функции. Да кажем, че това се използва в прагови елементи, например компаратори и тригери на Schmidt. По-долу виждате графика на неговите състояния:

Това е необходимо в случаите, когато устройството се задейства при достигане на сигнала X, след което сигналът може да започне да намалява и устройството не се изключва, докато сигналът не падне до ниво Y. Това решение се използва за потискане на отскачането на контакта и произволните шипове, както и в различни регулатори.

Например термостат или регулатор на температурата. Обикновено принципът му на действие е да изключи нагревателното (или охлаждащото) устройство в момента, в който температурата в помещението или на друго място достигне предварително определено ниво.

Нека разгледаме накратко и просто два варианта:

1. Без хистерезис. Включва и изключва при зададена температура. Тук обаче има нюанси. Ако настроите терморегулатора на 22 градуса и загреете стаята до това ниво, тогава щом стаята достигне 22, тя ще се изключи, а когато падне на 21 отново ще се включи. Не е винаги правилно решение, защото вашият контролиран уред ще се включва и изключва твърде често. Освен това в повечето домакинства и много производствени задачиНяма нужда от толкова прецизна температурна поддръжка.
2. С хистерезис. За да се създаде определена празнина в допустимия диапазон на регулируемите параметри, се използва хистерезис. Тоест, ако настроите температурата на 22 градуса, тогава веднага щом бъде достигната, нагревателят ще се изключи. Да приемем, че хистерезисът в регулатора е настроен на разлика от 3 градуса, тогава нагревателят ще започне да работи отново само когато температурата на въздуха падне до 19 градуса.

Понякога тази празнина се коригира по ваш вкус. В прости версии се използват биметални плочи.

Разгледахме явлението и приложението на хистерезиса в електротехниката. Резултатът е следният: в електрозадвижванията и трансформаторите има пагубен ефект, но в електрониката и различни регулатори също намира полезно приложение. Надяваме се, че предоставената информация е била полезна и интересна за вас!

Материали

Нека разгледаме процеса на променливо намагнитване на феромагнитен материал. За целта ще навием намотка върху стоманена сърцевина и ще я прекараме D.C.. Да приемем, че сърцевината на електромагнита не е била предварително магнетизирана.

Увеличаване на тока, преминаващ през завоите на намотката азот нула, по този начин ще увеличим магнетизиращата сила и силата на полето з. Стойност на магнитната индукция Бв ядрото също ще се увеличи. Крива на намагнитване 0ана фигура 1 има права част, а след това, поради насищане, кривата се издига бавно, приближавайки се до хоризонталата. Ако сега, след като стигна до точката А, намали з, след това ще намалее и Б. Въпреки това намалението Бпри намаляване з, тоест по време на размагнитването, ще се случи със закъснение спрямо намалението з. Стойността на остатъчната индукция при з= 0 се характеризира със сегмента 0б.

За да стане магнитната индукция в сърцевината нула, е необходимо материалът да се магнетизира в обратна посока, тоест да се ремагнетизира. За целта посоката на тока в намотката се обръща. Посоката на магнитните линии и силата на магнитното поле също се променят. При напрегнатост на полето з = 0vиндукцията в сърцевината е нула и материалът на сърцевината е напълно демагнетизиран. Стойност на силата на полето з = 0vпри Б= 0 е определена характеристикаматериал и се нарича забавяща (принудителна) сила.

Повтаряйки процеса на обръщане на намагнитването, получаваме затворена крива a b c d e f a, което се нарича хистерезисна верига или магнитна хистерезисна верига. Хистерезис от гръцки означава изоставащ, изостанал. От този експеримент е лесно да се провери, че магнетизирането и демагнетизирането на сърцевината (появата и изчезването на полюси, магнитна индукция или магнитен поток) изостава от момента на появата и изчезването на магнетизиращата и демагнетизиращата сила (ток в електромагнитна намотка). Феноменът хистерезис може да се характеризира с други думи като забавяне между промените в магнитната индукция и промените в силата на полето. Обръщането на намагнитването на материал включва изразходването на определено количество енергия, което се освобождава под формата на топлина, която загрява материала.

Магнитният хистерезис е особено тежък, ако материалът на сърцевината има висок остатъчен магнетизъм (например твърда стомана). Явлението хистерезис в повечето случаи е вредно. Той причинява хистерезисни загуби, изразени в нагряване на сърцевината и допълнителни разходимощност на източника на напрежение и също е придружено от бръмчене на сърцевината поради промени в полярността и завъртания елементарни частициматериал на сърцевината.

Първото сериозно изследване на процесите на намагнитване на стоманата е извършено от Александър Григориевич Столетов (1839 – 1896) през 1872 г. и публикувано в труда „За функцията на намагнитване на мекото желязо“.

Освен това А. Г. Столетов изследва и обяснява природата на външния фотоелектричен ефект и произвежда първата фотоклетка.

Видео 1. Хистерезис