Что такое гистерезис; Школа для инженеров-электриков: электротехника и электроника - услуги электромонтажа, строительства и ремонта

Часть 4: ослабление магнетизма путем постепенного уменьшения тока от – OM1, до нуля (остаточный магнетизм OF), а затем размагничивание путем изменения направления тока и доведения его до + OH.

Содержание

Что такое гистерезис?

Сердечник электромагнита после отключения тока всегда сохраняет некоторые магнитные свойства, называемые остаточным магнетизмом. Величина остаточного магнетизма зависит от свойств материала сердечника и больше для закаленной стали и меньше для мягкого железа.

Однако, каким бы мягким ни было железо, остаточный магнетизм все равно будет оказывать некоторое влияние, если условия эксплуатации устройства потребуют перемагничивания сердечника, т.е. размагничивания до нуля и намагничивания в противоположном направлении.

На самом деле, когда направление тока в катушке электромагнита меняется на противоположное, необходимо (из-за наличия остаточного магнетизма в сердечнике) сначала размагнитить сердечник, и только после этого он может быть намагничен в новом направлении. Для этого потребуется некоторый магнитный поток в противоположном направлении.

Другими словами, изменение намагниченности сердечника (магнитной индукции) всегда отстает от соответствующего изменения магнитного потока (напряженности магнитного поля), создаваемого обмоткой.

Такое отставание магнитной индукции от напряженности магнитного поля называется гистерезисом. Каждый раз, когда сердечник вновь намагничивается, магнитный поток должен быть приложен к нему в противоположном направлении, чтобы разрушить его остаточный магнетизм.

На практике это означает затраты электрической энергии на преодоление коэрцитивной силы, которая затрудняет поворот молекулярных магнитов в новое положение. Эта энергия выделяется в железе в виде тепла и представляет собой потери на размагничивание или гистерезисные потери, как их еще называют.

Поэтому железо, подверженное постоянному намагничиванию в устройстве (сердечники якорей генераторов и двигателей, сердечники трансформаторов), всегда должно выбираться как мягкое железо с очень низким коэффициентом коэрцитивности. Это снижает потери на гистерезис и тем самым повышает КПД электрической машины или оборудования.

Петля гистерезиса – это кривая, представляющая ход зависимости намагниченности от напряженности внешнего поля. Чем больше площадь петли гистерезиса, тем больше работы необходимо совершить для перемагничивания.

Представим себе простой электромагнит с железным сердечником. Проведем полный цикл намагничивания, изменяя намагничивающий ток от нуля до ОМ в обоих направлениях.

Начальный момент: ток равен нулю, железо не намагничено, магнитная индукция B=0.

Часть 1: намагничивание путем изменения тока от 0 до – + ОМ. Индукция в железном сердечнике сначала будет увеличиваться быстро, а затем все медленнее и медленнее. В конце операции, в точке А, железо настолько насыщено линиями магнитного поля, что дальнейшее увеличение тока (выше + ОМ) может дать наименьшие результаты, поэтому операцию намагничивания можно считать завершенной.

Намагничивание до насыщения означает, что намагниченности в сердечнике, которые в начале процесса намагничивания находились в полном, а затем только в частичном беспорядке, теперь почти все расположены последовательно, северные полюса направлены в одну сторону, а южные – в другую, так что на одном конце сердечника мы имеем северную полярность, а на другом – южную.

Часть 2: ослабление намагниченности при уменьшении тока от + ОМ до 0 и полное размагничивание при токе – ОД. Магнитная индукция, изменяясь вдоль кривой переменного тока, достигнет OC, в то время как ток уже будет равен нулю. Эта магнитная индукция называется остаточным магнетизмом или остаточной магнитной индукцией. Для того чтобы его разрушить, т.е. полностью размагнитить, необходимо подать на электромагнит ток в обратном направлении и довести его до значения, соответствующего ординате OD на рисунке.

Третья часть: обратное намагничивание путем изменения тока с – OD на – OM1. Магнитная индукция будет увеличиваться на кривой DE и достигнет точки E, соответствующей точке насыщения.

Часть 4: ослабление намагниченности путем постепенного уменьшения тока от -ОМ1, до нуля (остаточная намагниченность OF) и затем размагничивание путем изменения направления тока и доведения его до +OH.

Часть 5: намагничивание, соответствующее части 1, доведение магнитной индукции от нуля до + MA путем изменения тока от + OH до + OM.

Когда размагничивающий ток уменьшается до нуля, не все элементарные или молекулярные магниты возвращаются в свое прежнее неупорядоченное состояние, но некоторые из них сохраняют положение, соответствующее последнему направлению намагниченности. Это явление запаздывающего магнетизма называется гистерезисом.

Если вам понравилась эта статья, пожалуйста, поделитесь ею в социальных сетях. Это очень поможет в развитии нашего сайта!

Однако под воздействием электрического поля заряды в диэлектрике становятся поляризованными, то есть меняют свою ориентацию в противоположных направлениях. По мере увеличения напряженности поля абсолютное значение вектора поляризации увеличивается нелинейно. В определенный момент поляризация достигает точки насыщения, вызывая эффект диэлектрического гистерезиса.

Примеры решений

где S – площадь петли гистерезиса. Эта энергия расходуется на работу против коэрцитивных сил в ферромагните и, соответственно, преобразуется в тепло. Следовательно, ферромагниты нагреваются тем сильнее, чем больше они проявляют гистерезис.

Ввод в эксплуатацию

Почему при расчете электрических устройств необходимо учитывать тепловой гистерезис?

Решение

При расчете различных электрических устройств необходимо учитывать теплоту гистерезиса, если они содержат ферромагниты, которые перемагничиваются в процессе работы. (См. пример 1). Примерами таких устройств являются железные сердечники в трансформаторах, железная арматура в генераторах постоянного тока. Возникающий в них гистерезис приводит к нерациональному использованию энергии, выделяемой в виде тепла, что снижает эффективность работы оборудования и установок. Для уменьшения ненужных отходов используются марки мягкого железа, у которых петли гистерезиса минимальны, т.е. гистерезис слабый.

В электротехнике существуют различные устройства, основанные на электромагнитных явлениях. При наличии сердечника, на который намотана катушка из проводящего материала, например, меди, возникают взаимодействия, обусловленные магнитными полями. К ним относятся реле, пускатели, контакторы, электродвигатели и магниты. Среди характеристик сердечников есть такое свойство, как гистерезис. В этой статье мы рассмотрим, что это такое, а также преимущества и недостатки этого явления.

Существует два типа упругого гистерезиса:

Особенности физического явления

Но мы сосредоточимся именно на гистерезисе. Гистерезис в электронной техникеГистерезис связан с магнитными процессами, происходящими в различных веществах. Он показывает, как данный материал ведет себя в электромагнитном поле, и это позволяет нам строить графики взаимосвязей и делать определенные выводы о средах, в которых находятся эти материалы. Этот эффект, например, используется в работе терморегулятора.

При более детальном рассмотрении понятия гистерезиса и связанного с ним эффекта можно отметить следующую особенность. Вещество с таким свойством способно переходить в насыщенное состояние. Это означает, что она находится в состоянии, в котором она больше не способна накапливать энергию внутри себя. Если взять в качестве примера ферромагнитные материалы, то энергия выражается в магнетизме, который возникает благодаря магнитным связям между молекулами вещества. И они образуют магнитные моменты – диполи, которые в нормальном состоянии направлены хаотично.

Намагниченность в этом случае – это магнитные моменты, которые принимают определенное направление. Если они направлены хаотично, ферромагнит считается размагниченным. Но когда диполи направлены в одну сторону, материал намагничивается. Степень намагниченности сердечника катушки указывает на величину магнитного поля, создаваемого током, протекающим через катушку.

Handyman будет интересна статья Как подключить сами ходовые огни.

Пререквизиты: Объясните подробно, как роль доменов в поляризации сегнетоэлектрика может быть проиллюстрирована с помощью явления гистерезиса.

Как получить петлю гистерезиса на осциллографе

Если у нас есть осциллограф, мы можем увидеть петлю гистерезиса на его экране. Для этого соедините два конденсатора последовательно, а пространство между выводами одного из них заполните сегнетоэлектриком. Обозначим емкость этого конденсатора как C s . Система будет подключена к генератору переменного тока. Соединяя конденсаторы последовательно, мы получаем одинаковые заряды на их катушках и одинаковые индукции:

Здесь подстрочный индекс D 0 обозначает индукцию поля в конденсаторе с обычным диэлектриком, а D – для конденсатора с ферроэлектриком. Поскольку значение диэлектрической проницаемости нормального конденсатора постоянно, напряжение на нормальном конденсаторе будет прямо пропорционально индукции.

Если к горизонтально отклоненным пластинам осциллографа приложить напряжение от сегнетоэлектрического конденсатора, а к вертикально отклоненным – напряжение от обычного конденсатора, то на экране мы увидим петля гистерезиса.

Гистерезис (гр. hysteresis запаздывание, задержка) – это физическая задержка во времени между реакцией организма и внешним воздействием, которое ее вызывает; наблюдается в термостате.

ИСТЕРЕЗИС .

Энциклопедический словарь по физике. – М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1983 .

Гистерезис (гр. hysteresis запаздывание, задержка) – это физическая задержка во времени между реакцией организма и внешней силой, которая ее вызывает; она наблюдается в таких случаях.

ИСТЕРЕЗИС .

гистерезис-адсорбция гистерезис-аэродинамический гистерезис-вращение гистерезис-магнитный гистерезис-ротационный гистерезис-вращение.

ГИСТЕРЕЗИС

Гистерезис (гистерезис) – это свойство устройства или прибора, благодаря которому сигнал на его выходе неоднозначно связан с величиной входного воздействия и зависит от направления изменения сигнала на его входе (т.е. увеличивается он или уменьшается).

[ГОСТ Р МЭК 61298-2-2015 Оборудование для измерения и управления промышленными процессами. Общие методы и процедуры оценки работы. Часть 2. испытание при нормальных условиях]

Гистерезис это разница в показаниях прибора во время прямого и обратного хода.

[Краткий глоссарий метрологических терминов и определений. http:// ПРОМПРИБОР.рф].

Гистерезис это наибольшая разница между показаниями выходного сигнала, полученными в одной контрольной точке при нарастании и спаде входного сигнала.

ИСТЕРЕЗИС

Гистерезис (от греч. hysteresis – замедление) – это гистерезис изменения физической величины, характеризующей состояние вещества (намагниченность M ферромагнита, поляризация P ферроэлектрика и т.д.), от изменения другой физической величины, определяющей внешние условия (напряженность магнитного H и электрического E поля). Гистерезис возникает в тех случаях, когда состояние организма определяется внешними условиями не только в данный момент, но и в более ранние моменты. Наиболее важными из них являются: магнитный, ферроэлектрический и упругий гистерезис. Неоднозначная зависимость М от Н, Р от Е и т.д. при циклических изменениях Н, Е и т.д. представлена петлей гистерезиса. См.

ИСТЕРЕЗИС

– (от греч. hysteresis, замедление) – это задержка изменения физической величины, характеризующей состояние вещества (намагниченность М ферромагнетика, поляризация Р сегнетоэлектрика и т.д.), от изменения другой физической величины, определяющей внешние условия (напряженность магнитного поля Н и электрического поля Е). Гистерезис возникает в тех случаях, когда состояние организма определяется внешними условиями не только в данный момент, но и в более ранние моменты. Наиболее важными из них являются: магнитный гистерезис, сегнетоэлектрический гистерезис и упругий гистерезис. Неоднозначная зависимость M от H, P от E и т.д. при циклическом изменении H, E и т.д. представлена петлей гистерезиса.

ИСТЕРЕЗИС .

(греч. lag, лаг) – различие в состоянии организма при одинаковом количественном выражении внешних условий в зависимости от того, измеряется ли состояние организма в процессе увеличения или уменьшения количественных параметров, характеризующих внешние условия. Поскольку состояние организма при гистерезисе отстает от изменений внешних условий, график, представляющий связь между состоянием организма и количественным выражением внешних условий при полном цикле изменений последних, принимает форму петли H. Чем больше отставание состояния организма, тем больше отставание.
Синонимы:

. смотреть

ГИСТЕРЕЗИС .

m. phys. isteresi f – вращательный гистерезис – вязкий гистерезис – диэлектрический гистерезис – предупругий гистерезис – магнитный гистерезис – магнитомеханизм – часы

ГИСТЕРЕЗИС

Hysteresis – гистерезис.Задержка движения в одной плоскости как следствие взаимодействия в другой плоскости – например, при “взаимодействии” спиралей разного уровня. См.

ГИСТЕРЕЗИС

ГИСТЕРЕЗИС, явление, характерное для упругих тел; представляет собой РАССЛАБЛЕНИЕ тела, когда его УДЛИНЕНИЕ увеличивается меньше, чем уменьшается вследствие.

ИСТЕРЕЗИС

Гистерезис (от греч. hysteresis, замедление) – это дифференцированная реакция физического тела на определенные внешние воздействия в зависимости от того, подвергается ли оно одним и тем же стимулам или нет.

ИСТЕРЕЗИС

Гистерезис (греч. hysteresis, запаздывание, задержка) – физическая задержка во времени реакции тела от внешнего воздействия, вызывающего ее; наблюдается в тех случаях, когда состояние тела в данный момент времени определяется также внешними условиями, существовавшими до этого; магнитный гистерезис – задержка состояния намагниченности тела от внешнего воздействия, вызывающего ее. – это задержка состояния намагниченности (ферромагнитного) тела от изменения внешнего магнитного поля; r. Упругость – это задержка в изменении деформации тела от механического напряжения.

ГИСТЕРЕЗИС

– В экономике предположение, что текущий уровень экономической переменной зависит от ее прошлого уровня.Словарь бизнес терминов.Academician.ru смотреть

ИСТЕРЕЗИС

Начальная форма – Hysteresis, винительный падеж, единственное число, мужской род, неодушевленный

Постепенное изменение намагниченности создает импульсы напряжения в катушке электромагнита. При дальнейшем увеличении поля вектор намагниченности поворачивается от оси легкого намагничивания в сторону внешнего поля, пока они не сойдутся.

Магнитные свойства веществ

Все вещества в окружающей нас среде в большей или меньшей степени обладают магнитными свойствами. Уже в древние времена была известна удивительная способность некоторых минералов притягивать железные предметы. Среди многих навигационных приборов, необходимых для определения курса судна или самолета, есть магнитный компас.

В самых точных измерительных приборах постоянные магниты являются одним из основных компонентов. Не только железо известно своими сильными магнитными свойствами. К ним относятся кобальт, никель, сплавы на их основе и некоторые редкоземельные элементы. Все эти вещества и сплавы называются ферромагнитами. Их объединяет способность к самопроизвольному намагничиванию.

Это свойство ферромагнитов используется для создания постоянных магнитов. Наличие нескомпенсированных магнитных моментов в атомах вещества является необходимым условием для существования ферромагнетизма.

В эксперименте Эйнштейна по определению величины кручения при намагничивании образца было доказано, что ферромагнетизм связан со спиновыми магнитными моментами электронов. Обменное взаимодействие электронов при определенных соотношениях атомного диаметра и внутренней пустой оболочки приводит к параллельной ориентации спинов.

Это возможно только в том случае, если интеграл энергии обмена положителен.

В конечном итоге, ферромагнетик устанавливает такую ориентацию спина, которая обеспечивает минимальное значение суммы энергий магнитного и обменного взаимодействий.

Область с однородной спонтанной намагниченностью называется доменом. Наиболее энергетически благоприятное расположение доменов таково, что они образуют замкнутую магнитную цепь.

Между соседними доменами с разными направлениями намагниченности существуют переходные слои, называемые границами доменов или доменными стенками. В них вектор намагниченности постепенно меняется на противоположный.

Ферромагнитные свойства веществ существуют только в определенном диапазоне температур. Температура, при которой ферромагниты полностью теряют свои ферромагнитные свойства, называется точкой Кюри. Форму и размер доменов на поверхности ферромагнита можно увидеть под микроскопом

В элементарной ячейке железа грани куба соответствуют направлению наименьшей намагниченности кристалла железа. Диагонали граней определяют направление средней намагниченности.

Направление наиболее сильной намагниченности совпадает с диагоналями куба. Область на диаграмме характеризует энергию магнитной анизотропии.

В отсутствие внешнего поля магнитные моменты доменов ориентированы в направлении легкого намагничивания. В общем случае образец размагничивается.

В слабых полях происходит рост доменов, направление намагниченности которых составляет меньший угол с направлением внешнего поля.

Этот процесс является обратимым. При снятии внешнего поля образец размагничивается. При увеличении внешнего поля происходит дальнейший рост доменов, который прекращается из-за дефектов в кристалле. Когда поле достигает определенного значения, стенки растущих доменов перепрыгивают через препятствие. Это препятствие приводит к тому, что кривая намагничивания показывает ступенчатое изменение намагниченности.

Ступенчатые изменения намагниченности приводят к импульсам напряжения в катушке электромагнита. При дальнейшем увеличении поля вектор намагниченности поворачивается от оси легкого намагничивания в сторону внешнего поля, пока они не сойдутся.

Гистерезис .

Эта область называется областью технического насыщения ферромагнита, а соответствующее значение поля – полем насыщения. Если поле уменьшить от этого значения до нуля, в образце все еще будет сохраняться остаточная намагниченность.

Гистерезис – это явление отставания намагниченности от напряженности внешнего поля. Закрытие доменов путем создания замкнутой магнитной цепи уменьшает поле рассеяния и снижает свободную энергию образца.

Она определяется как разница между магнитным насыщением ферромагнита и намагниченностью замыкающих доменов. Чтобы размагнитить образец, к нему необходимо приложить отрицательное поле, называемое коэрцитивной силой. Когда поле достигнет значения насыщения, ферромагнетик будет полностью перемагничен.

На графике можно наблюдать еще одно свойство гистерезиса. При повторном изменении поля кривая намагничивания замыкается в петлю, которая называется петлей гистерезиса.

Петля гистерезиса для насыщенного состояния называется предельной петлей. Его площадь пропорциональна потере энергии на перемагничивание образца. Ферромагниты при намагничивании изменяют свои линейные размеры. Это явление называется магнитострикцией.

Существуют две основные группы ферромагнитных материалов:

Магнитно твердый.
Магнитно-мягкая.

Одним из основных требований к магнитно-мягким материалам является их высокая коэрцитивная сила. Магнитно-мягкие материалы намагничиваются до насыщения при низких полях и имеют низкие потери на перемагничивание. Потери энергии в трансформаторе зависят от этих параметров.

Например, в линии электропередачи мощностью 100 x 10 6 ВА с трансформаторами на концах годовые потери составляют около 5 миллионов киловатт-часов. Одним из лучших представителей магнитно-мягких материалов считается пермаллой – сплав железа и никеля. Намагниченность пермаллоя в слабых полях в несколько десятков раз больше, чем у железа. Упорядоченные магнитные структуры в некоторых веществах отличаются от магнитной структуры ферромагнетиков.

Если в железе, кобальте и никеле спиновые магнитные моменты ориентированы параллельно, то в хроме и марганце они антипараллельны. Такие вещества называются антиферромагнетиками.

В этом случае компенсируются магнитные подрешетки со спонтанной намагниченностью. Если кристаллы вещества не полностью компенсируют магнитные подрешетки, мы называем его ферримагнетиком. Феррит является одним из примеров ферримагнита, который широко используется в технике. Структура феррита похожа на структуру минералов шпинели, в которых ионы неферромагнитных металлов заменены на ионы ферромагнитных.

Гистерезис в электротехнике и электронике

Среди множества примеров использования ферромагнитных материалов рассмотрим их применение в устройствах памяти. Ферритовая кольцевая память используется для хранения информации в реальном времени. Одного ферритового сердечника достаточно для хранения одного бита информации. В качестве долговременной памяти с большой емкостью используются специальные магнитные диски (триггеры Шмидта).

Он также используется в специальных гистерезисных двигателях, устройствах, которые уменьшают помехи (отражения от контактов, колебания и т.д.) в переключающих логических схемах.

Читайте далее: