Хистерезис — определение, видове и примери във физиката и техниката

Хистерезис: ясна дефиниция, видове и ключови примери във физиката и техниката — феромагнитни и фероелектрични материали, сплави с памет и практични приложения.

Хистерезисът е понятие във физиката. При хистерезиса изходът на една система зависи не само от нейния вход, но и от историята на миналите й входове. Това е така, защото историята влияе върху стойността на вътрешното състояние. За да се предвидят бъдещите изходи на дадена система, трябва да се знае или нейното вътрешно състояние, или нейната история.

Ефектът може да се дължи на забавяне между входа и изхода. Този ефект изчезва, когато входът се променя по-бавно. Този ефект отговаря на описанието на хистерезиса, дадено по-горе, но често се нарича зависим от скоростта хистерезис, за да се разграничи от хистерезиса с по-траен ефект на паметта.

Хистерезисът се проявява във феромагнитни и фероелектрични материали. Той се проявява и при деформацията на някои материали (например гумени ленти и сплави с памет за формата). Много изкуствени системи са проектирани така, че да имат хистерезис: например в термостати и компютри.

Какво означава това на практика

На най-простото ниво хистерезис означава, че ако приложите като вход едно и също числово значение два пъти, резултатът може да бъде различен в зависимост от това какви стойности са били приложени преди това. Това е типично за системи, които „помнят“ предишни състояния чрез вътрешни променливи (например магнитни домейни, електрически диполи или механични остатъчни напрежения).

Типове хистерезис

• Зависим от скоростта (динамичен) хистерезис — появява се когато има инерция или триещи процеси и изходът закъснява спрямо входа. Ако входът се променя много бавно, този ефект намалява или изчезва.
• Зависим от паметта (статичен или rate‑independent) хистерезис — резултатите зависят от предишни пътища на промяна и не се премахват при бавни промени. Типичен пример е магнитният хистерезис: след отстраняване на магнитното поле материалът остава частично намагнитен.

Примери във физиката и техниката

• Феромагнетизъм: При циклично променящо се външно магнитно поле графиката на намагнитеността срещу полето образува хистерезисна крива (хистерезисна петля). Площта на тази крива представлява енергийни загуби (хиcтерезисни загуби) при едно пълно циклиране. Ключови понятия: остатъчна намагнитеност (remanence) и коерцитивно поле (coercivity).
• Фероелектрични материали: Аналогично, тук поляризацията като функция на електрическото поле показва хистерезисна крива. Това свойство се използва в енергонезависимите памети (FeRAM).
• Механична деформация: Някои материали (например гумени ленти или сплави с памет на формата като NiTi) показват различен път при натоварване и разтоварване — появява се затворен напрежение‑деформация цикъл с енергийни загуби.
• Електронни и управляващи схеми: Компоненти като Schmitt тригери имат съзнателно въведен хистерезис (deadband), за да се предотврати често превключване при шум. Термостатите използват хистерезис, за да поддържат температурата в диапазон, вместо да превключват непрекъснато.
• Енергетика и трансформатори: Магнитните ядра на трансформаторите и електрическите мотори имат хистерезисни загуби, които водят до нагряване и намаляване на ефективността.
• Магнитни носители на информация: Записът и съхраняването на данни в магнитни дискове и ленти използва свойството на материалите да запазват намагнитване.

Математически модели и измерване

За описване и моделиране на хистерезис са разработени различни математически формализми:

• Preisach модел — представлява суперпозиция от много двупозиционни елементи и е удобен за числени изчисления.
• Jiles–Atherton модел — физически ориентиран модел, често използван за магнитен хистерезис.
• Bouc–Wen модел — приложим при динамичен и нелинеен структурен хистерезис.

Хистерезисът се измерва чрез циклично вариеране на входа и записване на изхода; най-често се извежда т.нар. „главна“ (major) хистерезисна крива и „малки“ (minor) цикли. Площта на затворената крива дава енергийна загуба при цикъл.

Практически значение и управление

В някои приложения хистерезисът е нежелан, защото внася нелинейност, загуби и сложности при управление; в други е полезен, защото предоставя стабилност и защита от шум (например в превключващи схеми). Методи за справяне с нежелан хистерезис включват избор на по‑подходящи материали, предварителна обработка (предмагнитване или кондициониране), използване на обратна връзка и алгоритми за компенсация.

Кратко резюме

• Хистерезисът е зависимост на изхода не само от текущия вход, но и от предишните входове (памет на системата).
• Съществуват бавен (динамичен) и траен (memory) вид хистерезис.
• Проявява се в много физични материали и инженерни системи — от магнетизъм и електрически поляризации до механични деформации и електронни схеми.
• Правилното разбиране и моделиране на хистерезиса е важно както за използване на полезните му свойства, така и за минимизиране на негативните ефекти.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява хистерезисът?

В: Защо историята на миналите входове влияе на изхода на системата при хистерезис?

Въпрос: Какво е необходимо, за да се предскажат бъдещите изходи на система в хистерезис?

В: Какъв е ефектът от хистерезиса?

Въпрос: Изчезва ли ефектът на хистерезиса, когато входните данни се променят по-бавно?

В: Какво е хистерезис, зависещ от скоростта?

В: В кои материали се наблюдава хистерезис?

Търсене по буква