Histereze — definīcija un piemēri fizikā, materiālos un ierīcēs

Histereze — skaidra definīcija un praktiski piemēri fizikā, feromateriālos, feroelektriskos materiālos un ierīcēs (termostatos, formu atmiņas sakausējumos).

Histereze ir jēdziens fizikas zinātnē. Histerezes gadījumā sistēmas izeja ir atkarīga ne tikai no tās ieejas, bet arī no tās iepriekšējo ieeju vēstures. Tas ir tāpēc, ka vēsture ietekmē iekšējā stāvokļa vērtību. Lai prognozētu sistēmas nākotnes izejas, ir jāzina vai nu tās iekšējais stāvoklis, vai arī tās vēsture.

Šāds efekts var rasties, jo starp ievades un izejas datiem ir nobīde. Šis efekts izzūd, jo ieejas dati mainās lēnāk. Šis efekts atbilst iepriekš sniegtajam histerēzes aprakstam, bet to bieži dēvē par no ātruma atkarīgu histerēzi, lai to atšķirtu no histerēzes ar noturīgāku atmiņas efektu.

Histereze rodas feromagnētiskos materiālos un feroelektriskos materiālos. Tā rodas arī dažu materiālu deformācijā (piemēram, gumijas lentēs un formas atmiņas sakausējumos). Daudzas mākslīgas sistēmas ir veidotas tā, lai tām būtu histereze, piemēram, termostatos un datoros.

Kā histereze izpaužas — histerēzes cilpa

Tipisks histerēzes signāls tiek attēlots kā cilpa grafikā, kur viena ass rāda ieeju (vadību) un otra — izeju (reakciju). Ja ieeju palielina un pēc tam samazina, izejas ceļš atpakaļ bieži neatbilst ceļam uz augšu — tā tiks veidota cilpa. Cilpas laukums parasti atbilst enerģijas zaudējumam katrā ciklā (piem., siltuma disipācijai feromagnētiskos materiālos vai berzei elastomeros).

Feromagnētiskā histereze

Feromagnētiskajā materiālā saista magnētiskais lauks H ar magnētisko indukciju B (vai magnetizāciju M). Ja ārējais lauks cikliski mainās, B–H attiecība veido slēgtu cilpu. No cilpas var nolasīt svarīgas īpašības:

• Remanence (Br) — magnētiskā indukcija, kas paliek, kad ārējais lauks atgriežas nulē.
• Koercivitāte (Hc) — laukums, kas nepieciešams, lai noņemtu atlikušo magnetizāciju.
• Cilpas laukums — proporcionāls enerģijas zudumam viena cikla laikā (histerēzes zudumi transformatoros, motoriem).

Feroelektriskā histereze

Feroelektriskos materiālos analogs B–H ir polarizācija P pret elektrisko lauku E. P–E cilpa rāda remanento polarizāciju un coercive field — īpaši svarīgi kondensatoru un memristoru ierīcēs. Feroelektriskā histereze ļauj veidot nepastarpinātu datus (nevolatīvo atmiņu) elektrotehnikā.

Mehāniskā histereze un formas atmiņa

Mehāniskā histereze parādās, piemēram, slodzes–deformācijas (stress–strain) attiecībās, kur slodzes palielināšana un samazināšana neveido vienu un to pašu ceļu. Gumijas lentēs un polimēros šī cilpa norāda uz iekšējo berzi un enerģijas disipāciju — tāpēc gumija labi amortizē. Formas atmiņas sakausējumos (piemēram, NiTi) notiek pārejas starp martensīta un austenīta fāzēm, kas arī raksturojas ar histerēzi (atsāknēšanās un atjaunošanās temperatūras atšķiras).

No ātruma atkarīgā histereze un disipācija

Daļa histerēzes ir ātruma atkarīga — ja ieeja mainās ļoti ātri, parādās nobīde starp ieeju un izeju, savukārt lēnā izmaiņā sistēma var izskatīties mazāk histerētiska. Šādas parādības skaidro materilāru viskozitāte, iekšējā berze un laika atkarīgas relaksācijas parādības. Tipiski, palielinoties frekvencei, cilpas laukums palielinās (vairāk zudumu).

Ierīces un tehnoloģijas ar histerēzi

Histereze tiek izmantota vai to nepieciešams kontrolēt daudzās ierīcēs:

• Termostati — izmanto histerēzi (deadband), lai izvairītos no pastāvīgas ieslēgšanas/izslēgšanas svārstībām pie temperatūras šūpošanās.
• Schmitt sliekšņi — elektroniskie salīdzinātāji ar iekšēju histerēzi, kas attīra trokšņainus signalus un nodrošina straujāku pārslēgšanos digitālās loģikās.
• Magnētiskie atmiņas elementi un transformatori — magnētiskā histereze ietekmē zudumus un datu saglabāšanu.
• Aktuatori un sensori — histereze var ietekmēt precizitāti; dažreiz to izmanto kā stabilizācijas mehānismu.

Modelēšana, mērīšana un analīze

Histerezi var modelēt dažādos līmeņos: no vienkāršām hysteresis operators līdz uzlabotām metožām (Preisach modelis, Jiles–Atherton modelis u. c.). Mērījumos parasti veic ciklisku stimulāciju (magnētisko lauku, spriegumu vai slodzi) un reģistrē izejas lielumu, noteikt galveno (major) un mazākās (minor) cilpas. Laboratorijā feromagnētisko cilpu mēra ar VSM (Vibrating Sample Magnetometer) vai B–H meteniekus; feroelektrisko — ar Sawyer–Tower tipa shēmām; mehāniskos ciklus — ar dinamiskajiem mehānisko īpašību testeriem.

Praktiskās sekas un risinājumi

Histerēze var būt gan vēlama, gan nevēlama — atkarībā no lietojuma. Lai samazinātu histerēzes zudumus elektromagnētikā, izmanto mīkstus magnētiskos materiālus, serdi no laminētām mākslīgām vielām vai termisko apstrādi (annealing). Sistēmās, kur histereze traucē precizitātei, izmanto kompensācijas algoritmus, kalibrāciju vai konstruktīvas izmaiņas, lai samazinātu iekšējo berzi un laika atkarību.

Īsumā — histereze ir plaši sastopams un fundamentāls fenomens daudzās fizikālajās, materiālu un tehniskajās sistēmās. Sapratne par histerēzes raksturu (cilpas forma, laukums, atkarība no ātruma, temperatūras u. c.) ir svarīga, lai paredzētu sistēmu uzvedību, optimizētu veiktspēju un samazinātu zudumus.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir histereze?

Q: Kāpēc histerēzes gadījumā iepriekšējo ievades datu vēsture ietekmē sistēmas izejas datus?

J: Kas ir nepieciešams, lai prognozētu histerēzē esošas sistēmas nākotnes izejas?

J: Kāda ir histerēzes ietekme?

Vai histerēzes efekts izzūd, ja ieejas dati mainās lēnāk?

J: Kas ir no ātruma atkarīga histereze?

J: Kādos materiālos rodas histereze?

Meklēt pēc burta