Что такое петля гистерезиса. Гистерезис для инженеров. Петля гистерезиса. Прерванные процессы на петле гистерезиса. Смена направления процесса

Гистерезис происходит от греческого слова, означающего запаздывание или отставание. С данным понятием связана такая физическая величина, как петля гистерезиса, определяющая одну из характеристик тела. Она определенным образом связана также и с физическими величинами, характеризующими внешние условия, такие как магнитное поле.

Общие понятия гистерезиса

Гистерезис можно наблюдать в те моменты, когда какое-либо тело в конкретный период времени будет находиться в зависимости от внешних условий. Данное состояние тела рассматривается и в предыдущее время, после чего производится сравнение и выводится определенная зависимость.

Подобная зависимость хорошо просматривается на примере человеческого тела. Чтобы изменить его состояние потребуется какой-то отрезок времени на релаксацию. Поэтому реакция тела будет всегда отставать от причин, вызвавших измененное состояние. Данное отставание значительно уменьшается, если изменение внешних условий также будет заме для ться. Тем не менее, в некоторых случаях может не произойти уменьшения отставаний. В результате, возникает неоднозначная зависимость величин, известная как гистерезисная, а само явление называется гистерезисом.

Эта физическая величина может встречаться в самых разных веществах и процессах, однако чаще всего рассматриваются понятия диэлектрического, магнитного и упругого гистерезиса. Магнитный гистерезис как правило появляется в магнитных веществах, например, таких как ферромагнетики. Характерной особенностью этих материалов является самопроизвольная или спонтанная неоднородная намагниченность, наглядно демонстрирующая это физическое явление.

Механизм возникновения петли гистерезиса

Сам по себе гистерезис представляет собой кривую, отображающую измененный магнитный момент вещества, на которое воздействует периодически изменяющаяся напряженность поля. Когда магнитное поле воздействует на ферромагнетики, то изменение их магнитного момента наступает не сразу, а с определенной задержкой.

В каждом ферромагнетике изначально присутствует самопроизвольная намагниченность. Сам материал включает в свой состав отдельные фрагменты, каждый из которых обладает собственным магнитным моментом. При направленности этих моментов в разные стороны, значение суммарного момента оказывается равным нулю в результате взаимной компенсации.

Если на ферромагнетик оказать воздействие магнитным полем, то все моменты, присутствующие в отдельных фрагментах (доменах) будут развернуты вдоль внешнего поля. В итоге, в материале образуется некоторый общий момент, направленный в одну сторону. Если внешнее действие поля прекращается, то домены не все окажутся в изначальном положении. Для этого потребуется воздействие достаточно сильного магнитного поля, предназначенного для разворота доменов. Такому развороту создают препятствия наличие примесей и неоднородность материала. Поэтому материал имеет некоторую остаточную намагниченность, даже при отключенном внешнем поле.

Для снятия остаточного магнитного момента, необходимо приложение действия поля в противоположном направлении. Напряженность поля должна иметь величину, достаточную, чтобы выполнить полное размагничивание материала. Такая величина известна как коэрцитивная сила. Дальнейшее увеличение магнитного поля приведет к перемагничиванию ферромагнетика в противоположную сторону.

Когда напряженность поля достигает определенного значения, материал становится насыщенным, то есть магнитный момент больше не увеличивается. При снятии поля вновь наблюдается наличие остаточного момента, который снова можно убрать. Дальнейшее увеличение поля приводит к попаданию в точку насыщения с противоположным значением.

Таким образом, на графике появляется петля гистерезиса, начало которой приходится на нулевые значение поля и момента. В дальнейшем, первое же намагничивание выводит начало петли гистерезиса из нуля и весь процесс начинает происходить по графику замкнутой петли.

Бывает гистерезис магнитный, сегнетоэлектрический, динамический, упругий. Он также встречается в биологии, почвоведении, экономике. Причем суть у этого определения практически одинакова. Но в статье пойдет речь именно про магнитный, вы узнаете более подробно об этом явлении, от чего оно зависит и когда проявляется. Данное явление изучается в вузах с технической направленностью, в школьную программу не входит, поэтому не каждый знает о нем.

Гистерезис магнитный

Это необратимая и неоднозначная зависимость показателя намагниченности вещества (причем это, как правило, ферромагнетики магнитоупорядоченные) от внешнего При этом поле постоянно изменяется - уменьшается или увеличивается. Общая причина существования гистерезиса - это наличие в минимуме термодинамического потенциала нестабильного состояния и стабильного, а также имеются необратимые переходы между ними. Гистерезис - это также проявление магнитного ориентационного 1-го рода. При них переходы от одной к другой фазам происходят из-за метастабильных состояний. Характеристика - это график, который носит название «петля гистерезиса». Иногда еще его называют «кривой намагниченности».

Петля гистерезиса

На графике зависимости М от Н можно видеть:

1. Из нулевого состояния, при котором М=0 и Н=0, с увеличением Н растет и М.
2. Когда поле увеличивается, то намагниченность становится практически постоянной и равна значению насыщения.
3. При уменьшении Н происходит обратное изменение, но вот когда Н=0, намагниченность М не будет равна нулю. Это изменение можно видеть по кривой размагничивания. И когда Н=0, М принимает значение, равное остаточной намагниченности.
4. При увеличении Н в интервале -Нт... +Нт происходит изменение намагниченности вдоль третьей кривой.
5. Все три кривые, описывающие процессы, соединяются и образуют своеобразную петлю. Она-то и описывает явление гистерезиса - процессы намагничивания и размагничивания.

Энергия намагничивания

Петля считается несимметричной в том случае, когда максимумы поля Н1, которые прикладываются в обратном и прямом направлениях, не являются одинаковыми. Выше была описана петля, которая характерна для медленного процесса перемагничивания. При них происходит сохранение квазиравновесных связей между значениями Н и М. Нужно обратить внимание на то, что при намагничивании или размагничивании происходит отставание М от Н. И это приводит к тому, что вся та энергия, которая приобретается ферромагнитным материалом во время намагничивания, отдается не полностью при прохождении цикла размагничивания. И вот эта разница идет вся в нагрев ферромагнетика. И петля магнитного гистерезиса оказывается в этом случае несимметричной.

Форма петли

Зависит форма петли от многих параметров - намагниченности, наличия потерь и т. д. Также немалое влияние оказывает и химический состав ферромагнетика, структурное состояние его, температура, характер и распределение дефектов, наличие обработки (тепловой, термомагнитной, механической). Следовательно, гистерезис ферромагнетиков можно изменять, подвергая материалы механической обработке. От этого изменяются все характеристики материала.

Гистерезисные потери

Во время динамического перемагничивания ферромагнетика переменным магнитным полем наблюдаются потери. Причем они составляют лишь малую долю от полных магнитных потерь. Если петли имеют одинаковую высоту (одинаковое максимальное значение намагниченности М), петля динамического вида оказывается шире статической. Происходит это вследствие того, что ко всем потерям добавляются новые. Это динамические потери, они обычно связаны с магнитной вязкостью. В сумме же получаются достаточно существенные потери на гистерезис.

Однодоменные ферромагнетики

В том случае, если частицы имеют различный размер, протекает процесс вращения. Происходит это по причине того, что образование новых доменов невыгодно с энергетической точки зрения. Но процессу вращения частиц мешает анизотропия (магнитная). Она может иметь разное происхождение - образовываться в самом кристалле, возникать вследствие упругого напряжения и т. д.). Но именно при помощи этой анизотропии намагниченность удерживается внутренним полем. Его еще называют эффективным полем магнитной анизотропии. И гистерезис магнитный возникает вследствие того, что намагниченность изменяется в двух направлениях - прямом и обратном. Во время перемагничивания однодоменных ферромагнетиков происходит несколько скачков. Вектор намагниченности М разворачивается в сторону поля Н. Причем поворот может быть однородным или неоднородным.

Многодоменные ферромагнетики

В них кривая намагничивания строится по подобному образу, но вот процессы протекают иные. При перемагничивании происходит смещение границ доменов. Следовательно, одной из причин возникновения гистерезиса может являться задержка смещений границ, а также необратимые скачки. Иногда (если у ферромагнетиков довольно большое поле) гистерезис магнитный определяется задержкой роста и образования зародышей перемагничивания. Именно из этих зародышей образуется доменная структура ферромагнитных веществ.

Теория гистерезиса

Стоит учитывать, что гистерезиса происходит также при вращении поля Н, а не только при его изменении по знаку и величине. Называется это гистерезисом магнитного вращения и соответствует изменению направления намагниченности М с изменением направления поля Н. Возникновение гистерезиса магнитного вращения наблюдается также при вращении исследуемого образца относительно фиксированного поля Н.

Кривая намагничивания характеризует также магнитную структуру домена. Структура изменяется при прохождении процессов намагничивания и перемагничивания. Изменения зависят от того, насколько смещаются границы доменов, от воздействий внешнего магнитного поля. Абсолютно все, что способно задержать все процессы, описанные выше, переводит ферромагнетики в нестабильное состояние и является причиной того, что возникает гистерезис магнитный.

Нужно учесть, что гистерезис зависит от множества параметров. Намагниченность меняется под воздействием внешних факторов - температуры, упругого напряжения, следовательно, возникает гистерезис. При этом появляется гистерезис не только намагниченности, но и всех тех свойств, от которых он зависит. Как можно видеть отсюда, явление гистерезиса можно наблюдать не только при намагничивании материала, но и при других физических процессах, связанных прямо или косвенно с ним.

Можно наблюдать диэлектрический гистерезис -- неоднозначную зависимость поляризованности ($\overrightarrow{P}$) от напряженности внешнего поля ($\overrightarrow{E}$) при его циклическом изменении.

Так как сегнетоэлектрик обладает доменной структурой, дипольный момент кристалла сегнетоэлектрика в отсутствии диэлектрика равен нулю, вследствие взаимной компенсации дипольных моментов отдельных доменов. В целом, получается, что домен не поляризован. При наложении поля происходит частичное изменение ориентации доменов и увеличение одних доменов, уменьшение других. Это приводит к возникновению в кристалле поляризации ($\overrightarrow{P}$). Зависимость поляризации от напряженности поля представляет рис.1.

Сначала рост поляризации идет вдоль кривой ОА. В точке $А$ векторы поляризации всех доменов оказываются ориентированными параллельно полю $\overrightarrow{E}$. Начиная с этой точки рост поляризации идет за счет индуцированной поляризации $\overrightarrow{P_i}\sim \overrightarrow{E}$, линия ОА переходит в участок AD (прямолинейный). При продолжении этого участка до пересечения с осью ординат, он отсечет на ней отрезок , его длина равна спонтанной поляризации $P_S$.

При уменьшении напряженности электрического поля, уменьшение поляризации пойдет не по той же кривой в обратную сторону, а по новой кривой $DAB"A"D"$, которая расположена выше. Это и есть диэлектрический гистерезис сегнетоэлектрика. Процесс изменение ориентации и увеличение доменов в электрическом поле задерживается. Получается, что $\overrightarrow{P}$ не однозначно определен полем $\overrightarrow{E}$, а зависит от «истории» сегнетоэлектрика. Если изменять поле в обратном порядке, то зависимость поляризации от напряженности будет изображена нижней кривой $D"A"BAD$, симметричной с кривой $D"A"B"AD$ относительно начала координат О. Так, получается замкнутая кривая $AB"A"BA$, которая носит название диэлектрической петли гистерезиса. Аналогично можно получить петли для электрической индукции. Если по оси ординат откладывать электрическое смещение ($\overrightarrow{D}$):

\[\overrightarrow{D}={\varepsilon }_0\overrightarrow{E}+\overrightarrow{P}\left(1\right).\ \]

Петля гистерезиса для индукции отличается только масштабом от кривых $P=P(E)$, так как в сегнетоэлектриках $E\ll D$, то первым слагаемым в (1) можно пренебречь.

Стрелки на кривой (рис.1) показывают направление движения точки по кривой при изменении напряженности поля. Отрезок ОС характеризует остаточную поляризованность, то есть ту, которую образец сегнетоэлектрика имеет тогда, когда напряженность поля обратилась в ноль. Отрезок $OB"$ характеризует напряженность, имеющую противоположное поляризованности направление, при котором данный сегнетоэлектрик полностью теряет свою поляризацию. Чем больше величина отрезка ОС, тем значительнее остаточная поляризация сегнетоэлектрика. Чем больше размер $OB"$, тем лучше остаточная поляризация удерживается сегнетоэлектриком.

Петля гистерезиса

Петлю гистерезиса легко получить на экране осциллографа. С этой целью соединяют последовательно два конденсатора, пространство между обкладками одного из них заполнено сегнетоэлектриком (его емкость назовем $C_s$). Для питания используют переменный ток от генератора. Так как конденсаторы соединены последовательно, то заряды на их обкладках равны и одинаковы индукции:

где $D_0$ -- индукция поля в конденсаторе с обычным диэлектриком, $D$ - индукция поля в конденсаторе с сегнетоэлектриком. Так как для обычного конденсатора диэлектрическая проницаемость постоянна, то напряжение на обычном конденсаторе пропорционально индукции. Если подать на горизонтально отклоняющие пластины осциллографа напряжение с конденсатора с сегнетоэлектриком, а на вертикально отклоняющие пластины -- с обычного конденсатора, то на экране осциллографа будет воспроизведена петля гистерезиса.

Пример 1

Задание: Объясните, почему говорят, что явление гистерезиса позволяет иллюстрировать роль доменов в поляризации сегнетоэлектрика?

Существование доменов в сегнетоэлектрике обуславливает его нелинейные свойства. В первую очередь это нелинейная зависимость поляризации ($\overrightarrow{P}$) от напряженности внешнего поля ($\overrightarrow{E}$):

\[\overrightarrow{P}={\varkappa \left(\overrightarrow{E}\right)\varepsilon }_0\overrightarrow{E}\left(1.1\right),\]

где $\varkappa \left(\overrightarrow{E}\right)$ -- диэлектрическая восприимчивость зависит от напряженности внешнего поля. Именно нелинейная зависимость поляризации от внешнего поля приводит в электрических полях к гистерезису.

Рассмотрим подробнее рис. 1. В небольших полях (отрезок $OA_1$) поляризация еще линейно зависит от напряженности, домены к поляризации еще не подключились. На участке $A_1A$ идет интенсивный рост поляризации при увеличении напряженности поля, что связано с нелинейным процессом переориентации доменов вдоль направления внешнего поля. В точке А все домены ориентированы по полю. Дальнейшее возрастание поляризации при росте напряженности внешнего поля идет линейно и оно не связано с доменной структурой. Оно идет за счет индуцированной полем поляризации. Уменьшение напряженности поля начиная от точки А повторяет в обратном порядке процесс первичной поляризации. Наличие остаточной поляризации говорит о том, что сегнетоэлектрик пытается сохранить ориентацию доменов в одном направлении. Приложение поля с обратным направлением ведет к уменьшению поляризации сегнетоэлектрика вплоть до нуля. При дальнейшем повышении напряженности обратного поля происходит переполяризация доменов (изменение знака) и в дальнейшем насыщению (участок $A"D"$), то есть ориентации всех доменов по полю, но в противоположном с участком AD направлении.

Пример 2

Задание: Объясните, почему явление гистерезиса можно наблюдать в ходе опыта, который проводят, используя схему с осциллографом, которая представлена на рис.2. Между обкладками одного плоского конденсатора сегнетоэлектрик, его емкость $C_S$. Пространство между обкладками второго конденсатора (С) заполнено обычным диэлектриком. Питается схема от генератора, который создает гармонически изменяющуюся разность потенциалов на обкладках конденсаторов. Площади обкладок конденсаторов равны, расстояния между обкладками конденсаторов, также равны.

Разность потенциалов распределяется между конденсатором, который содержит сегнетоэлектрик ($С_S$) и воздушным конденсатором $C$. Площади обкладок конденсаторов равны, расстояния между обкладками равно $d$. В таком случае напряженности полей в конденсаторах равны:

\ \

где $\sigma ,\ {\sigma }_S$- поверхностные плотности распределения зарядов на обкладках конденсаторов, ${\varepsilon }_1$- диэлектрическая проницаемость обычного диэлектрика, ${\varepsilon }_S$ -- диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика.

Мы знаем, что у последовательно соединенных конденсаторов заряды на обкладках будут равны, а так как у этих конденсаторов одинаковы их геометрические параметры, то можно записать, что:

\[\sigma =\ {\sigma }_S\left(2.3\right).\]

Следовательно, разности потенциалов между обкладками:

\ \

Найдем отношение $\frac{U_S}{U}$, получим:

\[\frac{U_S}{U}=\frac{уd}{\varepsilon_S \varepsilon_0}:\frac{уd}{{\varepsilon_1 \varepsilon}_0}=\frac{\varepsilon_1}{\varepsilon_S}\ \left(2.6\right).\]

Если напряжение U подать на горизонтальную развертку осциллографа, а $U_S$ -- на вертикальную, то можно записать, что:

Таким образом, при изменении напряженности $(E)$, на экране осциллографа будет прочерчена кривая, абсцисса точек которой в определенном масштабе ${\varepsilon }_SE$, а ордината ${\varepsilon }_0{\varepsilon }_1E=D$ в том же масштабе. Получается, что на экране осциллографа вычерчивается кривая гистерезиса.

Различные ферромагнитные материалы обладают неодинаковой способностью проводить магнитный поток. Основной характеристикой ферромагнитного материала является петля магнитного гистерезиса В(Н) . Эта зависимость определяет значение магнитной индукции, которая будет возбуждена в магнитопроводе из данного материала при воздействии некоторой напряженности поля.

Рассмотрим процесс перемагничивания ферромагнетика. Пусть первоначально он был полностью размагничен. Сначала индукция быстро возрастает за счет того, что магнитные диполи ориентируются по силовым линиям поля, добавляя свой магнитный поток к внешнему. Затем ее рост замедляется по мере того, как количество неориентированных диполей уменьшается и, наконец, когда практически все они ориентируются по внешнему полю рост индукции прекращается и наступает режим насыщения.

Если процесс циклического перемагничивания повторять при разных амплитудных значениях тока (Н ), то получим семейство петель магнитного гистерезиса. При некотором максимальном значении тока, а значит Н max , площадь петли гистерезиса практически не увеличивается. Наибольшая по площади петля называется предельной петлей гистерезиса.

Кривая, соединяющая вершины петель - на рисунке жирная линия, называется основной кривой намагничивания.

После нескольких (около 10) циклов изменения напряженности от положительного до отрицательного максимальных значений зависимость B =f (H ) начнет повторяться и приобретет характерный вид симметричной замкнутой кривой, называемой петлей гистерезиса . Гистерезисом называют отставание изменения индукции от напряженности магнитного поля .

Симметричная петля гистерезиса, полученная при максимальной напряженности поля H m , соответствующей насыщению ферромагнетика, называется предельным циклом .

Для предельного цикла устанавливают также значения индукции B r при H = 0, которое называется остаточной индукцией , и значение H c при B = 0, называемое коэрцитивной силой . Коэрцитивная (удерживающая) сила показывает, какую напряженность внешнего поля следует приложить к веществу, чтобы уменьшить остаточную индукцию до нуля.

Форма и характерные точки предельного цикла определяют свойства ферромагнетика. Вещества с большой остаточной индукцией, коэрцитивной силой и площадью петли гистерезиса (кривая 1 рис.8а) называются магнитнотвердыми .

Они используются для изготовления постоянных магнитов. Вещества с малой остаточной индукцией и площадью петли гистерезиса (кривая 2 рис.8а) называются магнитномягкими и используются для изготовления магнитопроводов электротехнических устройств, в особенности работающих при периодически изменяющемся магнитном потоке.

Свойства ферромагнитных материалов в переменных магнитных полях

При возбуждении переменного магнитного потока в магнитопроводах электротехнических устройств происходит непрерывное циклическое перемагничивание ферромагнитного материала.

В каждый момент времени магнитное состояние материала определяется точкой В (Н ) на симметричной петле (рис. 9), по конфигурации похожей на петлю магнитного гистерезиса. Получаемая при быстрых перемагничиваниях петля называется динамической петлей , и она отличается от статической петли магнитного гистерезиса, получаемой при медленных перемагничиваниях. Динамическая петля (показана пунктиром) шире статической.

Чтобы лучше понять, что такое магнитный гистерезис, нужно разобраться, где и при каких условиях он возникает.

Основные понятия

Магнитное поле – это одна из составляющих электромагнитного поля, характеризующаяся своим силовым действием на движущиеся заряженные частицы.

Вектор магнитной индукции B – это основная силовая величина магнитного поля.

Намагниченность M – это величина, которая характеризует магнитное состояние вещества.

Напряженность магнитного поля – это характеристика магнитного поля, которая равна разности магнитной индукции и намагниченности.

Ферромагнитный материал – это материал, намагниченность которого зависит от напряженности внешнего магнитного поля.

Допустим, мы имеем катушку, внутри которой имеется сердечник из ферромагнитного материала. Обычно такой сердечник состоит из железа, никеля, кобальта и различных соединений на их основе. Если подключить её к источнику переменного тока , то вокруг катушки образуется магнитное поле, которое будет изменяться по закону

График зависимости B (H)

Участок 0-1 называется кривой первоначального намагничивания. Благодаря ей мы можем увидеть, как меняется магнитная индукция в размагниченной катушке.

После насыщения (то есть точки 1) с уменьшением напряженности магнитного поля до нуля (участок 1-2), мы видим, что сердечник остался намагниченным на величину остаточной намагниченности Br. Это и называется явлением магнитного гистерезиса.

С точки зрения физики остаточная намагниченность объясняется тем, что в ферромагнетиках существуют сильные магнитные связи между молекулами, благодаря которым создаются беспорядочно направленные магнитные моменты. Под воздействием внешнего поля, они принимают направления поля, а после его снятия, часть магнитных моментов остаются направленными. Поэтому вещество остается намагниченным.

После изменения направления тока в катушке размагничивание продолжается (участок 2-3) до пересечения оси абсцисс. Участок 3-0 называется коэрцитивной силой Hc. Это величина, которая необходима для уничтожения поля в сердечнике. Далее аналогично происходит намагничивание сердечника до насыщения (участок 3-4) и обратно размагничивание на участке 4-5 и 5-6, с последующим намагничиванием до точки 1. Весь этот график называется петлей магнитного гистерезиса.

Если многократно намагнитить сердечник с напряженностью и индукцией магнитного поля, меньшими чем при насыщении, то можно получить семейство кривых, из которых в дальнейшем можно построить основную кривую намагничивания (0-1-2). Эта кривая зачастую требуется при электротехнических расчетах магнитных систем.

В зависимости от ширины петли гистерезиса, ферромагнитные материалы делят на магнитотвердые и магнитомягкие. Магнитотвердые вещества обладают большими значениями остаточной намагниченности и коэрцитивной силы. Магнитомягкие вещества, такие как электротехническая сталь применяют в трансформаторах, электрических машинах,электромагнитах , благодаря небольшой коэрцитивной силе и большому значению магнитной проницаемости.