Петля гистерезиса ферромагнетика объяснение. Гистерезис магнитный: описание, свойства, практическое применение

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 является комплексным понятием процессов, происходящих в системах и веществах, которые способны в себе накапливать различную энергию, при этом скорость и интенсивность ее нарастания отличается от кривой ее убывания при снятии воздействия. В переводе же с греческого языка понятие гистерезис переводится как отставание, поэтому и понимать его следует как запаздывание одного процесса по отношению к другому. При этом совсем необязательно, чтобы эффект гистерезиса был характерен только магнитным средам.

Это свойство проявляется во многих других система и средах:

• гидравлике;
• кинематике;
• электронике;
• биологии;
• экономике.

Особенно часто используют понятие при осуществлении регулирования температурных режимов в системах отопления.

Особенности физического явления

Мы же остановимся именно на гистерезисе в электронной технике , связанным с магнитными процессами в различных веществах. Он показывает, как себя ведет тот или другой материал в электромагнитном поле, а это тем самым позволяет строить графики зависимости и снимать какие-то показания сред, в которых находятся эти самые материалы. Например, этот эффект используется в работе терморегулятора.

Рассматривая более подробно понятие гистерезиса и эффект с ним связанный, можно заметить такую особенность. Вещество, обладающее такой особенностью, способно переходить в насыщение. То есть, это то состояние, при котором оно больше не способно накапливать в себе энергию. А при рассмотрении процесса на примере ферромагнитных материалов энергия выражается намагниченностью, которая возникает благодаря имеющейся магнитной связи между молекулами вещества. А они создают магнитные моменты – диполи, которые в обычном состоянии направлены хаотически.

Намагниченность в данном случае – это принятие магнитными моментами определенного направления. Если же они направлены хаотически, то ферромагнетик считается размагниченным. Но когда диполи направлены в одну сторону, то материал намагничен. По степени намагниченности сердечника катушки можно судить о величине магнитного поля, создаваемого током, протекающим по ней.

Физический процесс при гистерезисе

Чтобы подробно понять процесс гистерезиса , необходимо досконально изучить следующие понятия:

Что касается материалов, в которых лучше всего наблюдается эффект гистерезиса, то таковыми являются именно ферромагнетики. Это смесь химических элементов, которая способна намагничиваться за счет направленности магнитных диполей, поэтому обычно в составе имеются такие металлы, как:

• железо;
• кобальт;
• никель;
• соединения на их основе.

Чтобы увидеть гистерезис , на катушку с сердечником из ферромагнетика необходимо подать переменное напряжение. При этом от величины его график намагничивания сильно зависеть не будет, потому как эффект зависит напрямую от свойства самого материала и величины магнитной связи между элементами вещества.

Основополагающим моментом при рассмотрении понятия гистерезиса в электронике является как раз магнитная индукция В, созданная вокруг катушки при подаче напряжения. Она определяется по стандартной формуле, как произведение магнитной диэлектрической проницаемости вещества к сумме напряженности и намагниченности поля.

Чтобы понять общий принцип эффекта гистерезиса, необходимо воспользоваться графиком . На нем видна петля намагничивания из состояния полной размагниченности. Участок можно обозначить цифрами 0-1. При достаточной величине напряжения и длительности воздействия магнитного поля на материал график доходит до крайней своей точки по указанной траектории. Процесс осуществляется не по прямой, а по кривой с определенным изгибом, который характеризует свойства материала. Чем больше в веществе магнитных связей между молекулами, тем быстрее он выходит в насыщение.

После снятия напряжения с катушки напряженность магнитного поля падает до нуля. Это участок на графике 1-2. При этом материал за счет направленности магнитных моментов остается намагниченным. Но величина намагниченности несколько ниже, чем при насыщении. Если такой эффект наблюдается в веществе, то оно относится к ферромагнетикам, способным накапливать в себе магнитное поле за счет сильных магнитных связей между молекулами вещества.

Со сменой полярности напряжения, подводимого к катушке, процесс размагничивания продолжается по той же кривой до состояния насыщения . Только в этом случае магнитные моменты диполей будут направлены в обратную сторону. С частотой сети процесс будет периодически повторяться, описывая график, получивший название – петля магнитного гистерезиса.

При многократном намагничивании ферромагнетика меньшей, чем при насыщении напряженностью, то можно получить семейство кривых, из которых можно построить общий график, характеризующий состояние вещества от полного размагниченного до полного намагниченного.

Гистерезис – это комплексное понятие , характеризующее способность вещества накапливать энергию магнитного поля или другой величины за счет имеющихся магнитных связей между молекулами вещества или особенностей работы системы. Но таким эффектом могут обладать не только сплавы железа, кобальта и никеля. Титанат бария даст несколько иной результат, если его поместить в поле с определенной напряженностью.

Так как он является сегнетоэлектриком, то в нем наблюдается диэлектрический гистерезис. Обратная петля гистерезиса образуется при противоположной полярности подводимого к среде напряжения, а величина противоположного поля, действующего на материал, получило название коэрцитивная сила.

При этом величина поля может предшествовать разным напряженностям, что связано с особенностями фактического состояния диполей – магнитных моментов после прошлого намагничивания. Также на процесс влияют различные примеси , содержащиеся в составе материала. Чем их больше, тем труднее сдвинуть стенки диполей, поэтому остается так называемая остаточная намагниченность.

Что влияет на петлю гистерезиса?

Казалось бы, гистерезис – это больше внутренний эффект , который не виден на поверхности материала, но он сильно зависит не только от типа самого материала, но и от качества и вида его механической обработки. Например, железо переходит в насыщение при напряженности равной 1 э, а сплав магнико достигает своей критической точки только при 580 э. Чем больше дефектов на поверхности материала, тем требуется больше напряженность магнитного поля, чтобы вывести его в насыщение.

В результате намагничивания и размагничивания в материале выделяется тепловая энергия, которая равна площади петли гистерезиса. Также к потерям в ферромагнетике можно отнести действие вихревых токов и магнитной вязкости вещества. Это обычно наблюдается при изменении частоты магнитного поля в большую сторону.

В зависимости от характера поведения ферромагнетика в среде с магнитным полем, различают статический и динамический гистерезис . Первый наблюдается при номинальной частоте напряжения, но с ее ростом площадь графика увеличивается, что приводит и к росту потерь.

Другие свойства

Кроме магнитного гистерезиса, также различают гальвономагнитный и магнитострикционный эффекты . В этих процессах наблюдается изменение электрического сопротивления за счет механической деформации материала. Сегнетоэлектрики под действием деформационных сил способны вырабатывать электрический ток, что объясняется пьезоэлектрическим гистерезисом. Также существует понятие электрооптического и двойного диэлектрического гистерезиса. Последний процесс имеет обычно наибольший интерес, так как сопровождается двойным графиком в зонах, приближающихся к точкам насыщения.

Гистерезис определение относится не только к ферромагнетикам, применяемым в электронике. Такой процесс может происходить и в термодинамике . Например, при организации отопления от газового или электрического котла. Регулирующим компонентом в системе является терморегулятор. Но только контролируемой величиной является температура воды в системе.

При ее снижении до заданного уровня котел включается, начиная подогрев до заданной величины. После чего выключается и процесс повторяется в цикле. Если снять показания температуры при нагреве и остывании системы при каждом цикле включения и выключения отопления, то получиться график в виде петли гистерезиса, который и получил название гистерезис котла.

В таких системах гистерезис выражается в температуре . Например, если он составляет 4°С, а температура теплоносителя установлена 18°С, то котел выключится, когда она достигнет значения 22°С. Таким образом, можно настроить любой приемлемый температурный режим в помещениях. А терморегулятор является, по сути, датчиком температуры или термостатом, который включает или выключает отопления при достижении нижнего и верхнего порога, соответственно.

Рассмотрим процесс переменного намагничивания ферромагнитного материала. Для этой цели намотаем на стальной сердечник обмотку и будем по ней пропускать постоянный ток. Предположим, что сердечник электромагнита ранее не был намагничен.

Увеличивая проходящий по виткам обмотки ток I от нуля, мы тем самым будем увеличивать намагничивающую силу и напряженность поля H . Величина магнитной индукции B в сердечнике будет также увеличиваться. Кривая намагничивания 0а на рисунке 1 имеет прямолинейную часть, а затем вследствие насыщения кривая поднимается медленно, приближаясь к горизонтали. Если теперь, достигнув точки а , уменьшать H , то будет уменьшаться и B . Однако уменьшение B при уменьшении H , то есть при размагничивании, будет происходить с запаздыванием по отношению к уменьшению H . Величина остаточной индукции при H = 0 характеризуется отрезком 0б .

Для того чтобы магнитная индукция в сердечнике стала равной нулю, необходимо намагничивать материал в обратном направлении, то есть перемагнитить его. Для этой цели направление тока в обмотке меняется на обратное. Направление магнитных линий и напряженности магнитного поля также изменяется. При напряженности поля H = 0в индукция в сердечнике равна нулю и материал сердечника полностью размагничен. Значение напряженности поля H = 0в при B = 0 является определенной характеристикой материала и называется задерживающей (коэрцитивной) силой.

Повторяя процесс перемагничивания, мы получаем замкнутую кривую а б в г д е а , которая называется петля гистерезиса или петля магнитного гистерезиса. Гистерезис от греческого – отстающий, запаздывающий. На этом опыте легко убедиться, что намагничивание и размагничивание сердечника (появление и исчезновение полюсов, магнитной индукции или магнитного потока) отстают от момента появления и исчезновения намагничивающей и размагничивающей силы (тока в обмотке электромагнита). Явление гистерезиса можно иными словами охарактеризовать как отставание изменений магнитной индукции от изменений напряженности поля. Перемагничивание материала связано с затратой некоторого количества энергии, которая выделяется в виде тепла, нагревающего материал.

Магнитный гистерезис особенно сильно сказывается, если материал сердечника обладает большим остаточным магнетизмом (например, твердая сталь). Явление гистерезиса в большинстве случаев вредно. Оно вызывает потери на гистерезис выраженные в нагреве сердечника и лишних затратах мощности источника напряжения, а также сопровождается гудением сердечника вследствие перемены полярности и поворотов элементарных частиц материала сердечника.

Первое серьезное исследование процессов намагничивания стали было проведено Александром Григорьевичем Столетовым (1839 – 1896) в 1872 году и опубликовано в работе "О функции намагничивания мягкого железа".

А. Г. Столетов, кроме того, исследовал и объяснил природу внешнего фотоэффекта и изготовил первый фотоэлемент.

Видео 1. Гистерезис

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.

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.