Histerezė — apibrėžimas, mechanizmai ir taikymai fizikoje

Atraskite histerezės apibrėžimą, mechanizmus ir praktinius taikymus fizikoje — nuo feromagnetizmo iki inžinerinių sprendimų. Sužinokite, kaip veikia ir kur pritaikoma.

Histerezė - tai fizikos mokslo sąvoka. Histerezės atveju sistemos išėjimas priklauso ne tik nuo jos įėjimo, bet ir nuo ankstesnių įėjimų istorijos. Taip yra todėl, kad istorija turi įtakos vidinės būsenos vertei. Norint numatyti būsimus sistemos išėjimus, reikia žinoti arba jos vidinę būseną, arba jos istoriją.

Poveikis gali pasireikšti dėl įvesties ir išvesties vėlavimo. Šis poveikis išnyksta, kai įvestis keičiasi lėčiau. Šis efektas atitinka pirmiau pateiktą histerezės aprašymą, tačiau dažnai vadinamas nuo greičio priklausoma histereze, kad būtų galima jį atskirti nuo histerezės su patvaresniu atminties efektu.

Histerezė pasireiškia feromagnetinėse ir feroelektrinėse medžiagose. Ji taip pat pasireiškia deformuojantis kai kurioms medžiagoms (pvz., guminėms juostoms ir formą atkuriantiems lydiniams). Daugelis dirbtinių sistemų yra sukurtos taip, kad jose būtų histerezė: pavyzdžiui, termostatuose ir kompiuteriuose.

Kas yra histerezės kilmė ir mechanizmai

Histerezę sukelia vidinės sistemos savybės, leidžiančios išsaugoti praeities įvykių informaciją. Priklausomai nuo fizikinio mechanizmo, histerezė gali būti trumpalaikė (greičiui priklausoma) arba ilgalaikė (susijusi su struktūrinėmis ar domenų pokyčių atmintimis).

Konkrečiuose pavyzdžiuose:

• Feromagnetinėse medžiagose: histerezė kyla dėl magnetinių domenų orientacijos pokyčių. Esant išoriniam magnetiniam laukui, domenai persiorientuoja, tačiau grįžimas į pradinę padėtį vėluoja arba pasikeičia dėl rišančiųjų jėgų, trinties ir defektų. Magnetinio lauko ir magnetinės indukcijos priklausomybė dažnai pateikiama kaip B–H histerezės kilpa. Kilpos plotas reiškia magnetinės energijos nuostolius (šilumos pavidalu).
• Feroelektrinėse medžiagose: analogiškai feromagnetinėms, čia yra elektrinių dipolių domenai. Elektros laukas juos perskirsto, o grįžtant lauko pakitimams lieka liekamoji polarizacija (remanencija) ir reikalingas koercinis laukas atstatymui.
• Mechaninė histerezė: kai medžiaga (pvz., guminė juosta arba formą atkuriantis lydinys) deformuojasi ir grįžta į pradinę būseną, priklausomai nuo apkrovos istorijos gali likti liekamosios deformacijos arba energijos nuostoliai — tai pasireiškia kaip apkrovos–deformacijos histerezės kilpa.
• Kontrolės sistemose: termostatai naudoja histerezę, kad išvengtų pernelyg dažnų įjungimų/išjungimų: pvz., nustatytas tikslinis kambario temperatūros intervalas su mažesnio ir didesnio ribo leidžia katilui „įsijungti“ ar „išsijungti“ su tam tikru atidėjimu.

Matuokliai ir charakteristikos

• Didžiausia (saturacija): būsena, kurioje tolesnis įėjimo didinimas nebeatneša reikšmingo išėjimo padidėjimo.
• Remanencija (liekamasis efektas): išėjimo reikšmė, likstanti po to, kai įėjimas sugrąžinamas iki nulio.
• Koercityvumas (koercinis laukas / jėga): atitinkama įėjimo reikšmė, reikalinga išvesties sumažinimui iki nulio iš liekamos būsenos.
• Kilpos plotas: matuojamas kaip uždara histerezės kilpos sritis grafike (pvz., B–H arba jėga–deformacija). Jis proporcingas vieno ciklo energijos netekimui (šilumos).
• Major ir minor kilpos: pagrindinė (major) kilpa apima pilną įėjimo diapazoną; minor kilpos atsiranda esant apribotam įėjimo svyravimui nuo tam tikros pradinės būsenos.

Matematiniai modeliai ir simbolika

Histerezė modeliuojama įvairiais būdais priklausomai nuo reikalingos tikslumo ir skaičiavimo sudėtingumo. Dažniausiai naudojami modeliai:

• Preisacho modelis: reprezentuoja histerezę kaip daugybę paprastų „elementarių“ slenkstinių elementų. Tinka daugeliui magnetinių histerezės problemų ir leidžia gauti minor kilpas.
• Bouc–Wen modelis: paprastesnis dinaminis modelis, plačiai taikomas struktūrinėje mechanikoje ir valdymo sistemose, geras aprašant ciklinę plastinę deformaciją.
• Kinetiniai ir mikrofiziniai modeliai: atsižvelgia į domenų sienelių judėjimą, rišamąsias jėgas ir termodinamiką — naudojami detalesniems feromagnetinių ar feroelektrinių medžiagų tyrimams.

Taikymai praktikoje

Histerezė yra svarbi daugelyje sričių:

• Elektrotechnikos prietaisai: transformatoriai ir elektros varikliai turi magnetinius nuostolius dėl histerezės; medžiagų pasirinkimas ir magnetinių ciklų valdymas mažina nuostolius.
• Atminties ir duomenų saugojimas: magnetinės atminties (HDD) ir kai kurie nevolatiliosios atminties sprendimai naudoja magnetinę ar feroelektrinę liekamąją būsena informacijos saugojimui.
• Actuators ir jutikliai: piezoelektriniai ir feroelektriniai elementai rodo histerezę; inžinieriai ją kompensuoja arba modeliuoja valdymui.
• Medžiagų mokslas: formą atstatantys lydiniai (shape memory alloys) naudoja histerezinį fazių perėjimą mechaninei kontrolei ir robotikos prietaisams.
• Valdymo sistemos: termostatai, relės ir kai kurie skaitmeniniai algoritmai naudoja histerezę kaip priemonę sumažinti triukšmą ir didelių dažnių persijungimus.

Praktiniai aspektai ir kompensacija

Histerezė gali būti pageidaujama (stabilių būsenų palaikymas, triukšmo slopinimas) arba nepageidaujama (energijos nuostoliai, tikslumo praradimas). Inžinerijoje histerezė dažnai kompensuojama arba naudojama sąmoningai:

• Modeliai ir identifikacija leidžia valdymo algoritmams atkartoti ir kompensuoti histerezinius efektus.
• Medžiagų ir konstrukcijų parinkimas mažina histerezinius nuostolius (pvz., naudojant silicio plieną transformatoriuose).
• Dažnių ir greičio valdymas: esant lėtesniam įėjimo kintamumui, greičiui priklausoma histerezė mažėja, todėl galima pasiekti mažesnį energijos nuostolį ar didesnį tikslumą.

Matavimai ir eksperimentai

Histerezės charakteristikos nustatomos eksperimentais: matuojant pilnus (major) ir dalinius (minor) ciklus, nustatant remanenciją, koercityvumą ir kilpos plotą. Tyrimai gali apimti temperatūros, dažnio ir apkrovos priklausomybių analizę, nes daugelis histerezinių parametrų smarkiai keičiasi su temperatūra ir ciklų skaičiumi.

Santrauka

Histerezė yra plačiai paplitęs reiškinys gamtoje ir technologijose, kylantis iš sistemų gebėjimo „prisiminimui“ per vidines būsenas ar struktūrinius pokyčius. Supratimas apie histerezės mechanizmus, matavimo metodus ir matematinį modeliavimą leidžia ją arba įveikti, arba panaudoti naudingoms inžinerinėms funkcijoms.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra histerezė?

K: Kodėl histerezės atveju ankstesnių įėjimų istorija turi įtakos sistemos išėjimui?

Klausimas: Ko reikia, kad būtų galima nuspėti būsimus histerezės sistemos išėjimus?

K: Koks yra histerezės poveikis?

Klausimas: Ar histerezės poveikis išnyksta, kai įvestis keičiasi lėčiau?

K: Kas yra nuo greičio priklausoma histerezė?

K: Kokiose medžiagose pasireiškia histerezė?

Paieška pagal raidę