Magnetna histereza: opis, lastnosti, praktična uporaba. Histereza v elektrotehniki

histereza (iz grščine? Histereza se pojavi v primerih, ko stanje telesa v danem trenutku določajo zunanji pogoji ne le v istem, ampak tudi v prejšnjih časih. Kot rezultat, za ciklični proces (rast in zmanjšanje zunanjega vpliva) dobimo zanki podoben (dvoumen) diagram, ki se imenuje histerezna zanka. Histereza se pojavlja v različnih snoveh in pri različnih fizikalnih procesih. Najbolj zanimive so magnetna, feroelektrična in elastična histereza.

Magnetna histereza je dvoumna odvisnost magnetizacije M magnetno urejene snovi (magnet, na primer fero- ali ferimagnet) od zunanjega magnetnega polja H med njegovo ciklično spremembo (povečanje in zmanjšanje). Razlog za obstoj magnetne histereze je prisotnost metastabilnih stanj (skupaj s stabilnimi) in nepovratnih prehodov med njimi med stanji magneta, ki ustrezajo minimumu termodinamičnega potenciala, v določenem območju sprememb H. Magnetno histerezo lahko obravnavamo tudi kot manifestacijo magnetnih orientacijskih faznih prehodov prvega reda, pri katerih se zaradi navedene metastabilnosti stanj pri različnih vrednostih H pojavljajo neposredni in povratni prehodi med fazami, odvisnimi od H.

Slika 1 shematično prikazuje tipično odvisnost M od H v feromagnetu; iz stanja M = 0 pri H = 0, z naraščanjem H se vrednost M poveča (glavna magnetna krivulja, a) in v dovolj močnem polju H ≥ H m M postane skoraj konstantna in enaka magnetizaciji nasičenja M s . Ko H pada od vrednosti H m, se magnetizacija spreminja vzdolž veje b in pri H = 0 prevzame vrednost M = M R (preostala magnetizacija). Za demagnetizacijo snovi (M = 0) je potrebno uporabiti obratno polje H = -H c, ki se imenuje koercitivna sila. Nadalje, pri H = -H m, se vzorec magnetizira do nasičenja (M = -M s) v nasprotni smeri. Ko se H spremeni iz -H m v +H m, se magnetizacija spremeni vzdolž krivulje c. Veji b in c, dobljeni s spremembo H iz +H m v -H m in obratno, tvorita zaprto krivuljo, ki se imenuje maksimalna (ali mejna) histerezna zanka. Veji b in c se imenujeta padajoče in naraščajoče veje histerezne zanke. Ko spremenite H na segmentu [-H 1, H 1] s H 1<Н m зависимость М(Н) описывается замкнутой кривой (частной петлёй гистерезиса), целиком лежащей внутри максимальной петли гистерезиса.

Opisane histerezne zanke so značilne za dokaj počasne (kvazistatične) procese preobrata magnetizacije. Zaostajanje M od H med magnetizacijo in demagnetizacijo vodi v dejstvo, da se energija, ki jo magnet pridobi med magnetizacijo, med razmagnetizacijo ne odpove popolnoma. Energija, izgubljena v enem ciklu, je določena s površino histerezne zanke. Te izgube energije imenujemo histereza. Ko se vzorec dinamično remagnetizira z izmeničnim magnetnim poljem H~, se histerezna zanka izkaže za širšo od statične zaradi dejstva, da se k kvazi ravnotežnim histereznim izgubam dodajo dinamične izgube, ki jih lahko povežemo z vrtinčnimi tokovi. (v vodnikih) in sprostitveni pojavi.

Oblika histerezne zanke in najpomembnejše značilnosti magnetne histereze (histerezne izgube, H c, M R itd.) so odvisne od kemične sestave snovi, njenega strukturnega stanja in temperature, od narave in porazdelitve napak v vzorca in posledično o tehnologiji njegove priprave in naknadnih fizikalnih obdelav (toplotnih, mehanskih, termomagnetnih itd.). Z magnetno histerezo je povezano histerezno obnašanje številnih drugih fizikalnih lastnosti, kot so histereza magnetostrikcije, histereza galvanomagnetnih in magneto-optičnih pojavov itd.

Feroelektrična histereza je dvoumna odvisnost velikosti električnega polarizacijskega vektorja P feroelektrikov od jakosti E zunanjega električnega polja med ciklično spremembo slednjega. Feroelektriki imajo spontano (tj. spontano, ki nastane v odsotnosti zunanjega polja) polarizacijo P sp v določenem temperaturnem območju. Smer polarizacije lahko spremeni električno polje, medtem ko je vrednost P za dano E odvisna od prazgodovine, torej od tega, kakšno je bilo električno polje v prejšnjih časih. Feroelektrična histereza ima obliko karakteristične zanke (histeresisne zanke), katere glavna parametra sta preostala polarizacija P ost pri E = 0 in koercitivno polje E k, pri katerem se spremeni smer (preklop) vektorja P sp. . Za popolne monokristale ima histerezna zanka obliko, ki je blizu pravokotne, in Р OST = Р SP. V resničnih kristalih je preostala polarizacija manjša od spontane polarizacije zaradi delitve kristala na domene.

Obstoj feroelektrične histereze izhaja iz fenomenološke teorije feroelektričnih pojavov, po kateri ravnotežne vrednosti Р cn pri kateri koli temperaturi pod temperaturo feroelektričnega faznega prehoda ustrezajo dvema simetričnima minimumoma termodinamičnega potenciala, ločenima s potencialom ovira. Pri E = + E k eden od minimumov izgine in kristal je v stanju z določeno smerjo vektorja P sp. S cikličnim preklopom spontane polarizacije območje histerezne zanke določa izgubo histereze - količino energije električnega polja, ki se pretvori v toploto. Velikost koercitivnega polja je povezana tudi s procesi nukleacije in evolucije v električnem polju feroelektričnih domen - območij kristala s smerjo spontanega polarizacijskega vektorja, izbranega z električnim poljem.

Elastična histereza - dvoumna odvisnost mehanske obremenitve od deformacije elastičnega telesa med ciklično uporabo in odstranjevanjem obremenitve. Graf napetosti σ proti deformaciji ε se razlikuje od ravnega odseka, ki ustreza Hookeovemu zakonu in je histerezna zanka (slika 2).

Površina te zanke je sorazmerna z mehansko energijo, ki se med ciklom razprši (pretvori v toploto).

Pojav elastične histereze v kovinah je posledica dejstva, da pri nekaterih polikristalnih zrnih mikronapetosti bistveno presegajo povprečne napetosti v vzorcu, kar vodi do pojava plastičnih deformacij in s tem do disipacije mehanske energije. V nekaterih primerih k elastični histerezi prispevajo elektromagnetni pojavi.

Elastična histereza kot manifestacija razlike med resničnim elastičnim telesom in idealno elastičnim telesom je opažena v vseh trdnih snoveh, tudi pri zelo nizkih temperaturah. Elastična histereza povzroči dušenje prostih tresljajev elastičnih teles, dušenje zvoka v njih, zmanjšanje koeficienta okrevanja med neelastičnim udarcem itd. V splošnem primeru je odstopanje elastičnosti od idealnega vključeno v koncept notranjega trenja. .

Lit .: Ilyushin A. A., Lensky V. S. Trdnost materialov. M., 1959; Postnikov V.S. Notranje trenje v kovinah. 2. izd. M., 1974. Vonsovsky SV Magnetizem. M., 1984; Filippov BN, Tankeev AP Dinamični učinki v feromagnetih z domensko strukturo. M., 1987; Strukov B. A., Levanyuk A. P. Fizične osnove feroelektričnih pojavov v kristalih. M., 1995.

B. N. Filippov, B. A. Strukov, V. N. Kuznecov.

Vsako elektromagnetno jedro po delovanju električnega toka nekaj časa zadrži magnetno polje (preostali magnetizem). Ta vrednost je odvisna od lastnosti materiala, vendar je preostali magnetizem vedno prisoten. Za ponovno magnetiziranje jedra je potreben magnetni tok v nasprotni smeri. Sprememba magnetne indukcije ne sledi spremembi magnetnega toka. Ta časovna zamuda pri magnetizaciji jedra zaradi spremembe smeri magnetnih tokov se imenuje histereza.

Da bi razumeli celotno bistvo tega pojava, je treba upoštevati sposobnost snovi, da se magnetizirajo.

Magnetne lastnosti snovi

Vse snovi v naravi okoli nas imajo tako ali drugače magnetne lastnosti. Že v starih časih je bila znana neverjetna sposobnost nekaterih mineralov, da pritegnejo železne predmete. Med številnimi navigacijskimi instrumenti, potrebnimi za risanje smeri ladje ali letala, je vedno magnetni kompas.

V najbolj natančnih merilnih instrumentih so trajni magneti med glavnimi deli. Znano je, da ne samo železo ima močne magnetne lastnosti. Sem spadajo kobalt, nikelj, zlitine na njihovi osnovi in ​​nekateri elementi redkih zemelj. Vse te snovi in ​​zlitine se imenujejo feromagneti. Združuje njihovo sposobnost spontane spontane magnetizacije.

Ta lastnost feromagnetov se uporablja za ustvarjanje trajnih magnetov. Prisotnost nekompenziranih magnetnih momentov v atomih snovi je nujen pogoj za pojav feromagnetizma.

V Einsteinovem poskusu o velikosti zvijanja med magnetizacijo vzorca je bilo dokazano, da je feromagnetizem povezan s spin magnetnimi momenti elektronov. Izmenjevalna interakcija elektronov pri določenih razmerjih premera atoma in notranje nenapolnjene lupine vodi do vzporedne orientacije spinov.

Možno je le, če je vrednost integrala izmenjalne energije pozitivna.

Končno se taka orientacija spinov vzpostavi v feromagnetu, ki zagotavlja minimalno vrednost vsote energij magnetne in izmenjalne interakcije.

Območje z enakomerno spontano magnetizacijo se imenuje domena. Energetsko najbolj ugodna razporeditev domen je takšna, da tvorijo zaprto magnetno vezje.

Med sosednjimi domenami z različnimi smermi magnetizacije so prehodne plasti, imenovane domenske meje ali stene. V njih pride do postopnega vrtenja vektorja magnetizacije.

Feromagnetne lastnosti v snoveh obstajajo le v določenem temperaturnem območju. Temperatura, pri kateri feromagneti popolnoma izgubijo svoje feromagnetne lastnosti, se imenuje Curiejeva točka. Obliko in velikost domen na površini feromagneta lahko vidimo pod mikroskopom.

V elementarni kristalni celici železa robovi kocke ustrezajo smeri najlažje magnetizacije železovega kristala. Diagonale obrazov določajo smer povprečne magnetizacije.

Smer najtežje magnetizacije sovpada z diagonalo kocke. Območje na grafu označuje energijo magnetne anizotropije.

V odsotnosti zunanjega polja so magnetni momenti domen usmerjeni vzdolž smeri lahke magnetizacije. Na splošno je vzorec razmagnetiziran.

V šibkih poljih pride do rasti domen, katerih smer magnetizacije sestavlja manjši kot s smerjo zunanjega polja.

Ta proces je reverzibilen. Če odstranimo zunanje polje, se vzorec demagnetizira. S povečanjem zunanjega polja pride do nadaljnje rasti domen, ki se zaradi kristalnih defektov ustavi. Ko polje doseže določeno vrednost, stene rastočih domen preskočijo oviro. Zaradi te ovire ima krivulja magnetizacije stopničast značaj.

Spremembe magnetizacije, podobne skokom, ustvarjajo napetostne impulze v solenoidni tuljavi. Z nadaljnjim povečanjem polja se vektor magnetizacije vrti od osi lahke magnetizacije proti zunanjemu polju, dokler ne sovpadata.

Histereza

Ta odsek se imenuje območje tehnične nasičenosti feromagneta, ustrezna vrednost polja pa se imenuje polje nasičenosti. Če se polje zmanjša s te vrednosti na nič, bo preostala magnetizacija ostala v vzorcu.

Histereza je pojav magnetizacije, ki zaostaja za jakostjo zunanjega polja. Zapiranje domen, ustvarjanje zaprtega magnetnega vezja, zmanjša razpadla polja in zmanjša prosto energijo vzorca.

Opredeljen je kot razlika med vrednostmi magnetne nasičenosti feromagneta in magnetizacijo zapiralnih domen. Za demagnetizacijo vzorca je potrebno nanj uporabiti negativno polje, imenovano prisilna sila. Ko polje doseže vrednost nasičenosti, bo prišlo do popolne remagnetizacije feromagneta.

Na grafu lahko definirate še eno lastnost, ki ima histerezo. Pri naslednji spremembi polja krivulja magnetizacije zapre zanko, ki se imenuje histerezna zanka.

Histerezna zanka za pogoj nasičenosti se imenuje mejna zanka. Njegova površina je sorazmerna z izgubo energije zaradi obrata magnetizacije vzorca. Feromagneti, ki so magnetizirani, spremenijo svoje linearne dimenzije. Ta pojav se imenuje magnetostrikcija.

Obstajata dve glavni skupini feromagnetnih materialov:

1. Magnetno trdo.
2. Mehki magnet.

Ena glavnih zahtev za mehke magnetne materiale je njihova visoka prisilna sila. Mehki magnetni materiali so magnetizirani do nasičenosti pri nizkih poljih in imajo nizke izgube zaradi obrnitve magnetizacije. Izguba energije transformatorja je odvisna od teh parametrov.

Na primer, v daljnovodu 100 x 10 6 VA s transformatorji na koncih je letna izguba približno 5 milijonov kilovatnih ur. Permaloy, zlitina železa in niklja, velja za enega najboljših predstavnikov mehkih magnetnih materialov. Magnetizacija permaloje v šibkih poljih je desetkrat večja od magnetizacije železa. Magnetno urejene strukture v nekaterih snoveh se razlikujejo od magnetne strukture feromagnetov.

Če so pri železu, kobaltu in niklju spin magnetni momenti usmerjeni vzporedno, potem so v kromu in manganu antiparalelni. Takšne snovi imenujemo antiferomagneti.

V tem primeru so magnetne podrešetke s spontano magnetizacijo kompenzirane. Če v kristalih snovi ni popolne kompenzacije magnetnih podmrež, se imenuje ferimagnet. Ferit je eden od primerov ferimagnetov, ki se pogosto uporablja v inženirstvu. Struktura feritov je podobna strukturi mineralov spinel, v katerih se neferomagnetni kovinski ioni nadomestijo s feromagnetnimi.

Histereza v elektrotehniki in elektroniki

Iz različnih primerov uporabe feromagnetnih materialov bomo govorili o njihovi uporabi v napravah za shranjevanje. Za hitro shranjevanje informacij se uporablja pomnilnik na feritnih obročkih. Eno feritno jedro je dovolj za shranjevanje enega bita informacij. Naprave za dolgotrajno shranjevanje velike zmogljivosti so posebni magnetni diski (Schmidtovi sprožilci).

Uporablja se tudi v posebnih histereznih elektromotorjih, napravah za dušenje hrupa (odbijanje kontaktov, vibracije itd.) pri preklapljanju logičnih vezij.

Toplotna histereza obstaja v številnih elektronskih napravah. Med delovanjem se naprave segrejejo, po hlajenju pa nekatere lastnosti nimajo več začetne vrednosti. Ko se mikrovezje, tiskano vezje, polprevodniški kristali segrejejo, se razširijo, pojavi se mehanska obremenitev. Ko se ohladi, ta stres do neke mere ostane.

Histerezna zanka. S ciklično spremembo jakosti konstantnega magnetnega polja od 0 do +H, od +H do -H in spet od -H do +H ima krivulja spremembe indukcije (krivulja preobrata magnetizacije) obliko zaprte krivulje - histerezna zanka. Za šibka polja ima zanka obliko elipse. S povečanjem vrednosti jakosti magnetnega polja H dobimo vrsto histereznih zank, zaprtih ena v drugo. Ko so vsi vektorji magnetizacije domen usmerjeni vzdolž smeri polja, se bo proces magnetizacije končal s stanjem tehnične nasičenosti magnetizacije materiala. Histerezna zanka, pridobljena pod pogojem nasičenosti magnetizacije, se imenuje omejevalna histerezna zanka. Zanj je značilna največja dosežena vrednost indukcije Bs, imenovana indukcija nasičenja. Ko se jakost magnetnega polja zmanjša z +H na 0, magnetna indukcija obdrži preostalo indukcijo Bs. Za pridobitev preostale magnetne indukcije, ki je enaka 0, je potrebno uporabiti nasprotno usmerjeno demagnetizirajoče polje določene jakosti -Hc. Negativna jakost magnetnega polja -Hc se imenuje koercitivna sila materiala. Ko moč magnetnega polja doseže vrednost –H in nato 0, se ponovno pojavi preostala indukcija –Vs. Če se jakost magnetnega polja poveča na + Hc, bo preostala magnetna indukcija Bc enaka 0. Območje histereznih zank v vmesnih in mejnih stanjih označuje disipacijo električne energije v procesu remagnetizacije materiala, t.j. izguba histereze. Območje histerezne zanke je odvisno od lastnosti materiala, njegovih geometrijskih dimenzij in pogostosti obrata magnetizacije. Glede na omejevalno histerezno zanko se določijo lastnosti magnetnih materialov, kot so indukcija nasičenja Bs, preostala indukcija Bs in koercitivna sila Hc.

Krivulja magnetizacije

magnetna krivulja. To je najpomembnejša lastnost magnetnih materialov, kaže odvisnost magnetizacije oziroma magnetne indukcije materiala od jakosti zunanjega polja H. Magnetna indukcija materiala Bi se meri v Tesli (T) in je povezana z magnetizacijo. Glavna (preklopna) krivulja magnetiziranja je geometrijska lokacija oglišč histereznih zank, pridobljenih med ciklično remagnetizacijo in odraža spremembo magnetne indukcije B, odvisno od jakosti magnetnega polja H, ki nastane v materialu med magnetizacijo. Jakost magnetnega polja v vzorcu v obliki toroida, ko je magnetno vezje zaprto, je enaka jakosti zunanjega polja Hb. V odprtem magnetnem vezju se na koncih vzorca pojavijo magnetni poli, ki ustvarjajo razmagnetizirajoče polje Hp. Razlika med magnetno močjo zunanjega in razmagnetizirajočega polja določa notranjo magnetno jakost Hi materiala. Glavna krivulja magnetizacije ima številne značilne segmente, ki jih je mogoče konvencionalno identificirati med magnetizacijo enega kristala feromagneta. Prvi odsek magnetizacijske krivulje ustreza procesu premikanja meja manj ugodno usmerjenih domen. V drugem segmentu se vektorji magnetizacije domene vrtijo v smeri zunanjega magnetnega polja. Tretji odsek ustreza paraprocesu, tj. zadnja faza procesa magnetizacije, ko močno magnetno polje obrne neorientirane magnetne momente feromagnetnih domen v smeri svojega delovanja.

Histereza v splošnem pojmu (iz grščine - zaostajanje) je lastnost določenih fizičnih, bioloških in drugih sistemov, ki se odzivajo na ustrezne vplive ob upoštevanju trenutnega stanja, pa tudi prazgodovine.

Histereza je značilna za t.i. "nasičenost" in različne trajektorije ustreznih grafov, ki označujejo stanje sistema v določenem trenutku. Slednji imajo posledično obliko ostrokotne zanke.

Če upoštevamo posebej elektrotehniko, potem vsako elektromagnetno jedro po koncu izpostavljenosti električnemu toku nekaj časa ohrani svoje magnetno polje, imenovano preostali magnetizem.

Njegova vrednost je odvisna predvsem od lastnosti materiala: za kaljeno jeklo je bistveno višja kot za mehko železo.

Vsekakor pa je pojav preostalega magnetizma vedno prisoten, ko je jedro remagnetizirano, ko ga je treba razmagnetizirati na nič, nato pa pol spremeniti na nasprotnega.

Vsaka sprememba smeri toka v navitju elektromagneta zagotavlja (zaradi prisotnosti zgornjih lastnosti materiala) predhodno demagnetizacijo jedra. Šele po tem lahko spremeni svojo polarnost - to je dobro znan zakon fizike.

Za remagnetizacijo v nasprotni smeri je potreben ustrezen magnetni tok.

Z drugimi besedami: sprememba v jedru ne "dohaja v koraku" z ustreznimi spremembami magnetnega toka, ki jih navitje takoj ustvari.

Prav ta časovna zamuda pri magnetizaciji jedra zaradi sprememb magnetnih tokov je v elektrotehniki dobila ime histereza.

Vsaka remagnetizacija jedra omogoča, da se znebite preostalega magnetizma tako, da ga izpostavite nasprotnemu magnetnemu toku. V praksi to vodi do določenih izgub električne energije, ki se porabijo za premagovanje "napačne" orientacije molekularnih magnetov.

Slednji se kažejo v obliki proizvodnje toplote in predstavljajo tako imenovane stroške histereze.

Tako bi morala imeti jeklena jedra, na primer statorje ali armature elektromotorjev ali generatorjev, pa tudi najmanjšo možno korelacijsko moč. To bo zmanjšalo izgube pri histerezi in na koncu povečalo učinkovitost ustrezne električne enote ali naprave.

Sam proces magnetizacije je določen z ustreznim grafom - tako imenovano histerezno zanko. Je zaprta krivulja, ki prikazuje odvisnost stopnje magnetizacije od sprememb v dinamiki jakosti zunanjega polja.

Veliko območje zanke torej pomeni visoke stroške za obrat magnetizacije.

Prav tako v skoraj vseh elektronskih napravah obstaja takšen pojav, kot je toplotna histereza - nepovrat po segrevanju opreme v prvotno stanje.

V in pojav histereze se uporablja v različnih magnetnih pomnilniških medijih (na primer v Schmidtovih sprožilcih) ali v posebnih histereznih elektromotorjih.

Ta fizični učinek je našel široko razširjenost tudi v različnih napravah, namenjenih zatiranju različnih šumov (odbijanje kontaktov, hitra nihanja itd.) v procesu preklapljanja logičnih vezij.

Biološki in fizični sistemi se lahko takoj odzovejo na udarec, ki se nanje nanaša. Če ta pojav obravnavamo na časovni osi koordinat, postane opazno, da je odziv odvisen od zgodovine sistema in njegovega trenutnega stanja. Graf, ki jasno prikazuje to lastnost sistemov, se imenuje histerezna zanka, ki jo odlikuje oblika ostrega kota.

Prvotna oblika zanke je posledica učinka nasičenosti in neenakomerne poti med sosednjimi razdaljami. Učinek histereze ima temeljne razlike od vztrajnosti, s katero se pogosto zamenjuje, pri čemer pozabljamo, da se monoton upor bistveno razlikuje od trenutne odpornosti proti delovanju.

Histerezna zanka je cikel, med katerim se nekatere lastnosti sistema uporabljajo ne glede na vplive, nekatere pa se pošljejo v ponovno preverjanje.

Pojav histereze v fiziki

V fiziki se sistemi najpogosteje srečujejo z naslednjimi vrstami histereze:

• Magnetno - odraža razmerje med vektorji napetosti magnetnega polja in magnetizacijo v snovi. Ta pojav pojasnjuje obstoj trajnih magnetov.
• Sepngetoelektrični - razmerje med polarizacijo feroelektrikov in spremembami zunanjega električnega polja.
• Elastično - odvisnost deformacije elastičnih materialov od vpliva visokih tlakov. Ta pojav je osnova odličnih mehanskih lastnosti kovanih kovinskih izdelkov.

Elastična histereza se pojavlja v dveh glavnih vrstah - statična in dinamična. V prvem primeru bo zanka enotna, v drugem - nenehno spreminjajoča se.

Uporaba histereze v elektroniki

V elektrotehniki se pogosto uporabljajo naprave, ki temeljijo na magnetnih interakcijah. Najpogosteje uporabljeni magnetni nosilci podatkov. Razumevanje histereze je bistveno za zatiranje hrupa v njih, kot so hitre vibracije ali klepetanje v stiku.

Pri večini elektronskih naprav opazimo pojav toplotne histereze. Med delovanjem se naprave segrejejo, po hlajenju pa številne lastnosti ne morejo več sprejeti začetnih pojavov.

Torej se v procesu ogrevanja mikrovezja in tiskana vezja širijo polprevodniški kristali. Posledično se razvije mehanska obremenitev, katere učinek na elemente sistema po ohlajanju ostane. Toplotna histereza je še posebej izrazita pri visoko natančnih referenčnih napetostnih virih.