Что показывает петля гистерезиса

Петля магнитного 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.

Энергия, выделяющаяся за один цикл перемагничивания, определяется площадью динамической петли. Эта энергия затрачивается источником на:

1) преодоление сил магнитного гистерезиса (определяется площадью статической петли);

2) на покрытие потерь, связанных с нагревом ферромагнитного материала вихревыми токами.

Для уменьшения потерь на гистерезис (перемагничивание) необходимо применять магнитомягкие материалы (с узкой петлей магнитного гистерезиса).

Для уменьшения потерь от вихревых токов магнитопровод выполняют шихтованным (из тонких изолированных друг от друга пластин). Кроме этого, повышают удельное электрическое сопротивление материала, увеличивая содержание кремния в стали.

Созданы и специальные сплавы, такие как ферриты, которые обладают высоким электрическим сопротивлением, благодаря чему уменьшаются не только магнитные потери, но и электрические, обусловленные вихревыми токами.

Магнитные цепи электротехнических устройств постоянного тока

В технике широко используют различные электромагнитные механизмы. Одни из них преобразуют электрическую энергию в механическую (электродвигатели, реле, электроизмерительные механизмы), другие создают магнитные поля с необходимыми характеристиками.

Магнитной цепью называют совокупность магнитопровода, образующего замкнутый путь магнитному потоку, и элементов возбуждающих магнитное поле (обмотки с током, постоянные магниты).

Магнитная цепь предназначена для создания в рабочем объеме электротехнического устройства магнитного поля требуемой интенсивности, конфигурации и направления.

При анализе магнитных цепей нужно различать путь основного магнитного потока Ф и потокосцепление рассеяния Ф_d, образованного магнитными линиями вне ферромагнитного материала. Необходимо представлять конфигурацию магнитного поля в рабочем объеме (поля выпучивания).

Классификация магнитных цепей

Магнитные цепи могут быть однородными (все участки магнитопровода из одного ферромагнитного материала) и неоднородными (например, с воздушным зазором).

Магнитные цепи бывают разветвленными и неразветвленными, симметричными и несимметричными.

188.64.169.166 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

Что такое магнитный гистерезис, кривые магнитного намагничивания

В данной статье мы рассмотрим явление под названием магнитный гистерезис, которое связано со свойствами намагничивания материала, благодаря которому он сначала намагничивается, а затем размагничивается. Рассмотрим кривые намагничивания, сохраняемость, а так же магнитную петлю гистерезиса.

Описание явления магнитного гистерезиса

Мы знаем, что магнитный поток, создаваемый электромагнитной катушкой, представляет собой величину магнитного поля или силовых линий, создаваемых в данной области, и что его чаще называют «плотностью потока», обозначенным символ B с единицей измерения Тесла, Т.

Мы также знаем из предыдущих уроков, что магнитная сила электромагнита зависит от числа витков катушки, тока, протекающего через катушку, или от типа используемого материала сердечника, и если мы увеличим либо ток, либо число оказывается, мы можем увеличить напряженность магнитного поля H.

Ранее относительная проницаемость, символ µ _r, определялась как отношение абсолютной проницаемости µ и проницаемости свободного пространства µ _o(вакуум), и это задавалось как постоянная величина. Однако взаимосвязь между плотностью потока B и напряженностью магнитного поля H может быть определена тем фактом, что относительная проницаемость µ _r не является постоянной величиной, а функцией интенсивности магнитного поля, что дает плотность магнитного потока как: B = M H .

Тогда плотность магнитного потока в материале будет увеличена в большей степени в результате его относительной проницаемости для материала по сравнению с плотностью магнитного потока в вакууме, µ _o H, а для катушки с воздушной сердцевиной это соотношение определяется как:

Таким образом, для ферромагнитных материалов отношение плотности потока к напряженности поля ( B / H ) не является постоянным, а изменяется в зависимости от плотности потока. Тем не менее, для катушек с воздушной сердцевиной или любой сердцевины с немагнитной средой, такой как дерево или пластмасса, это отношение можно считать постоянной величиной, и эта постоянная известна как μ _o , проницаемость свободного пространства ( μ _o = 4.π.10 -7 ч / м ).

Построив значения плотности потока ( B ) против напряженности поля, ( Н ) мы можем произвести набор кривых , называемых Кривые намагничивания, кривые магнитного гистерезиса или более обычно BH кривые для каждого типа основного используемого материала.

Намагниченность или кривая B-H

Набор кривых намагничивания выше, представляет пример взаимосвязи между B и H для сердечников из мягкого железа и стали, но каждый тип материала сердечника будет иметь свой собственный набор кривых магнитного гистерезиса. Вы можете заметить, что плотность потока увеличивается пропорционально напряженности поля до тех пор, пока она не достигнет определенного значения, если оно больше не может становиться почти равным и постоянным, поскольку напряженность поля продолжает увеличиваться.

Это связано с тем, что существует ограничение на количество плотности потока, которое может генерироваться ядром, поскольку все домены в железе идеально выровнены. Любое дальнейшее увеличение не будет влиять на значение M , и точка на графике, где плотность потока достигает своего предела, называется магнитным насыщением, также известным как насыщение сердечника, и в нашем простом примере выше точки насыщения стальной кривой начинается примерно с 3000 ампер-витков на метр.

Насыщение происходит потому, что, как мы помним из предыдущей статьи по магнетизму, который включал теорию Вебера, случайное расположение структуры молекулы в материале ядра изменяется, когда крошечные молекулярные магниты в материале становятся «выстроенными».

По мере увеличения напряженности магнитного поля ( H ) эти молекулярные магниты становятся все более и более выровненными, пока они не достигнут идеального выравнивания, создавая максимальную плотность потока, и любое увеличение напряженности магнитного поля из-за увеличения электрического тока, протекающего через катушку, будет иметь мало или вообще не будет иметь эффекта.

Сохраняемость (способность сохранять остаточный магнетизм)

Предположим, что у нас есть электромагнитная катушка с высокой напряженностью поля из-за тока, протекающего через нее, и что материал ферромагнитного сердечника достиг своей точки насыщения, максимальной плотности потока. Если мы теперь откроем переключатель и удалим ток намагничивания, протекающий через катушку, мы ожидаем, что магнитное поле вокруг катушки исчезнет, ​​когда магнитный поток уменьшится до нуля.

Однако магнитный поток не исчезает полностью, поскольку материал электромагнитного сердечника все еще сохраняет часть своего магнетизма, даже когда ток прекращает течь в катушке. Эта способность к катушке, чтобы сохранить часть своего магнетизма внутри сердечника после процесса намагничивания остановилось называются сохраняемость или остаточной намагниченности, в то время как величина плотности потока все еще остается в ядре, называется остаточным магнетизмом B _R .

Причиной этого является то, что некоторые из крошечных молекулярных магнитов не возвращаются к совершенно случайному образцу и все же указывают в направлении исходного поля намагничивания, давая им своего рода «память». Некоторые ферромагнитные материалы обладают высокой удельной удерживаемостью (магнитной твердостью), что делает их превосходными для изготовления постоянных магнитов.

В то время как другие ферромагнитные материалы имеют низкую способность удерживать (магнитно-мягкие), что делает их идеальными для использования в электромагнитах, соленоидах или реле. Один из способов уменьшить эту остаточную плотность потока до нуля — изменить направление тока, протекающего через катушку, путем изменения значения H, напряженности магнитного поля, отрицательной. Этот эффект называется коэрцитивной силой H _C .

Если этот обратный ток увеличивается еще больше, то плотность потока будет также увеличиваться в обратном направлении, пока ферромагнитный сердечник не достигнет насыщения снова, но в обратном направлении от предыдущего. Снижая ток намагничивания I снова до нуля создаст аналогичную величину остаточного магнетизма, но в обратном направлении.

Затем путем постоянного изменения направления тока намагничивания через катушку с положительного направления на отрицательное направление, как в случае с источником переменного тока, можно создать петлю магнитного гистерезиса ферромагнитного сердечника.

Магнитная петля гистерезиса

Магнитная петля гистерезиса выше, показывает поведение ферромагнитного сердечника графически в виде соотношения между B и H является нелинейным. Начиная с немагнитного сердечника, и B, и H будут в нуле, точка 0 на кривой намагничивания.

Если ток намагничивания I увеличивается в положительном направлении до некоторого значения, напряженность магнитного поля H линейно увеличивается с I,и плотность потока B также будет увеличиваться, как показано кривой из точки 0 в точку a, когда она движется к насыщению.

Теперь, если ток намагничивания в катушке уменьшается до нуля, магнитное поле, циркулирующее вокруг сердечника, также уменьшается до нуля. Однако магнитный поток катушек не достигнет нуля из-за остаточного магнетизма, присутствующего в сердечнике, и это показано на кривой от точки а к точке b .

Чтобы уменьшить плотность потока в точке b до нуля, необходимо обратить ток, протекающий через катушку. Сила намагничивания, которая должна применяться для обнуления остаточной плотности потока, называется «Коэрцитивной силой». Эта коэрцитивная сила меняет магнитное поле, перестраивая молекулярные магниты, пока ядро ​​не станет немагнитным в точке с .

Увеличение этого обратного тока вызывает намагничивание сердечника в противоположном направлении, и дальнейшее увеличение этого тока намагничивания приведет к тому, что сердечник достигнет своей точки насыщения, но в противоположном направлении, точки d на кривой.

Эта точка симметрична точке b . Если ток намагничивания снова уменьшится до нуля, остаточный намагниченность, присутствующая в сердечнике, будет равна предыдущему значению, но в точке е будет обратной .

Снова изменение направления тока намагничивания, протекающего через катушку на этот раз в положительном направлении, приведет к тому, что магнитный поток достигнет нуля, точка f на кривой, и, как и прежде, дальнейшее увеличение тока намагничивания в положительном направлении приведет к насыщению сердечника в точке а .

Затем кривая B-H следует по пути a-b-c-d-e-f-a, когда ток намагничивания, протекающий через катушку, чередуется между положительным и отрицательным значением, таким как цикл переменного напряжения. Этот путь называется магнитной петлей гистерезиса.

Эффект магнитного гистерезиса показывает, что процесс намагничивания ферромагнитного сердечника и, следовательно, плотность потока зависят от того, на какую часть кривой намагничивается ферромагнитный сердечник, поскольку это зависит от прошлых цепей, придающих сердечнику форму «памяти». Тогда ферромагнитные материалы имеют память, потому что они остаются намагниченными после того, как внешнее магнитное поле было удалено.

Однако мягкие ферромагнитные материалы, такие как железная или кремниевая сталь, имеют очень узкие петли магнитного гистерезиса, что приводит к очень небольшим количествам остаточного магнетизма, что делает их идеальными для использования в реле, соленоидах и трансформаторах, поскольку они могут легко намагничиваться и размагничиваться.

Поскольку для преодоления этого остаточного магнетизма необходимо применять коэрцитивную силу, необходимо выполнить работу по замыканию петли гистерезиса, чтобы используемая энергия рассеивалась в виде тепла в магнитном материале. Это тепло известно как потеря гистерезиса, величина потери зависит от значения материала коэрцитивной силы.

Добавляя добавки к металлическому железу, такие как кремний, можно получить материалы с очень малой коэрцитивной силой, которые имеют очень узкую петлю гистерезиса. Материалы с узкими петлями гистерезиса легко намагничиваются и размагничиваются и известны как магнитомягкие материалы.

Магнитные петли гистерезиса для мягких и твердых материалов

Магнитный гистерезис приводит к рассеиванию потраченной энергии в виде тепла, причем энергия теряется пропорционально площади петли магнитного гистерезиса. Потери гистерезиса всегда будут проблемой в трансформаторах переменного тока, где ток постоянно меняет направление, и, таким образом, магнитные полюсы в сердечнике будут вызывать потери, потому что они постоянно меняют направление.

Вращающиеся катушки в машинах постоянного тока также будут нести гистерезисные потери, поскольку они попеременно проходят севернее южных магнитных полюсов. Как указывалось ранее, форма петли гистерезиса зависит от природы используемого железа или стали, и в случае железа, которое подвергается массивным изменениям магнетизма, например, сердечники трансформатора, важно, чтобы петля гистерезиса B-H была как можно меньше.

В следующей статье об электромагнетизме мы рассмотрим закон электромагнитной индукции Фарадея и увидим, что, перемещая проводной проводник в стационарном магнитном поле, можно вызвать электрический ток в проводнике, образующий простой генератор.

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

Петли гистерезиса на лабораторной установке;

Исследование свойств ферромагнетика с помощью

1. При уменьшении напряженности намагничивающего поля до нуля намагниченный ферромагнетик размагничивается лишь частично вследствие необратимых процессов (см. рис.7). При Н = 0 поле ферромагнетика характеризуется остаточной магнитной индукцией В_r. Отставание индукции В от напряженности Н при уменьшении напряженности называется «магнитным гистерезисом».

2. В намагничивающем поле обратного направления путем изменения его напряженности от Н = 0 до Н = -Н_С остаточную индукцию можно сделать равной нулю (рис. 7). Значение Н_С напряженности поля называется коэрцитивной силой ферромагнетика. Она показывает, как сильно удерживается ферромагнетиком остаточная индукция.

3. Ферромагнетики, у которых Н_С 4000 А/м, называются «жесткими» и применяются для изготовления постоянных магнитов (сплавы железа типа «Алнико» и «Магнико») [2, с.230-231].

4. При перемагничивании ферромагнетиков в переменном поле Н = f(t) процесс изменения магнитной индукции поля в образце характеризуется симметричной замкнутой кривой, которая, вследствие запаздывания изменения индукции, называется петлей гистерезиса (рис. 9). Если амплитуда напряженности поля заходит в область насыщения намагниченности образца, петля гистерезиса называется предельной, в остальных случаях — петлей основного цикла (основная петля гистерезиса). Нелинейность петли показывает, что индукция поля изменяется не по закону изменения напряженности. При исследованиях ферромагнетики перемагничивают в «режиме синусоидальной индукции» поля в образце , при котором напряженность поля изменяется по закону Н = f(t) резко искаженной синусоиды (рис. 9).

Две ветви петли гистерезиса означают, что любому значению Н соответствуют два значения магнитной индукции В, зависящие от предыстории магнитного состояния образца.

Кривая, проведенная через вершины (В_m; Н_m) ряда основных петель гистерезиса, практически совпадает с «кривой начального намагничивания». Поэтому магнитная проницаемость ферромагнетика может быть определена

через эти максимальные значения В_mи Н_m, относящиеся к любой из основных петель гистерезиса (рис. 9), по формуле

, (1)

5. Энергия гистерезисных потерь, расходуемая за один полный цикл перемагничивания какого-либо образца, равна [1, с.190-191; 2, с.227-229] произведению объема образца V_o на площадь петли гистерезиса в координатах (В, Н), т.е.

. (2)

Она переходит в тепловую энергию образца. При перемагничивании ферромагнетик нагревается.

6. Полностью размагнитить ферромагнетик можно, перемагничивая его в переменном магнитном поле при плавном уменьшении амплитуды напряженности поля от насыщенного значения Н_S до нуля в течение ряда циклов.

Схема измерительной установки

1. Для определения параметров ферромагнетика используется петля гистерезиса, которая наблюдается на экране осциллографа при перемагничивании данного ферромагнитного образца внешним переменным магнитным полем.

Схема измерительной установки показана на рис.10. Она содержит следующие элементы:

ГН — генератор напряжения; ФО — ферромагнитный образец (сердечник трансформатора); N₁ — намагничивающая обмотка; N₂ — измерительная обмотка; R и С — резистор и конденсатор RC — цепочки; R₁ — резистор для получения напряжения U_x, ЭО — электронный осциллограф.

2. В соответствии с показанной на рис. 10 схемой на вход «U» осциллографа подается напряжение U_y, пропорциональное магнитной индукции В поля в исследуемом образце, на вход «Х» — напряжения U_x пропорциональное напряженности Н поля, намагничивающего образец (внутренний генератор горизонтальной развертки луча осциллографа при этом выключается). За один период Т изменения напряжений U_x и U_у, характеризующий полный цикл перемагничивания образца, электронный луч на экране осциллографа описывает петлю гистерезиса, повторяя ее в точности за каждый следующий период. Поэтому изображение петли гистерезиса на экране будет неподвижным.

Петля гистерезиса изображается на экране в координатах (х; у), причем

где Х и У — измеряются в «делениях шкалы» экрана осциллографа,

К_х (В/дел.) и К_у (В/дел.) — масштабные коэффициенты, значения которых указываются либо в паспортных данных осциллографа, либо около ручек осциллографа, переключающих усиление по осям «Х» и «У» соответственно, или в таблице исходных данных, помещенной около установки.

3. Напряжение U_x, пропорциональное напряженности Н магнитногополя, получается следующим образом. Если образец выполнен в виде однородного замкнутого сердечника, на котором равномерно распределена первичная (намагничивающая) обмотка с числом витков N₁, то ток I₁ в этой обмотке и напряженность Н создаваемого им поля связаны соотношением

,

где l — средняя длина сердечника (ферромагнитного образца).

Последовательно с обмоткой N₁ включен резистор R₁, на котором создается падение напряжения

(4)

Сопротивление R₁ мало. Этим обеспечивается режим перемагничивания, при котором ток I₁(t) и напряженность Н(t) несинусоидальны, но синусоидальна магнитная индукция В = В_m sinwt (при синусоидальном напряжении генератора, питающего схему).

Из (3) и (4) получается простая формула для измерения напряженности магнитного поля в образце

, (5)

где .

4. Напряжение U_у, пропорциональное магнитной индукции В поля в образце, получается следующим образом. Вторичная (измерительная) обмотка, нанесенная на образец и имеющая N₂ витков, пронизывается сосредоточенным в ферромагнитном образце магнитным потоком , где S — площадь поперечного сечения образца. В обмотке N₂ индуцируется ЭДС.

,

создающая ток I₂ и напряжение U₂ » e₂ на выходе обмотки (падение напряжения на самой обмотке пренебрежимо мало). Отсюда следует, что и что

. (6)

Из (6) видно, что интегрированием переменного напряжения (в нашем случае — синусоидального, изменяющегося с частотой w = 2p×n = , задаваемой генератором, можно получить сигнал, пропорциональный мгновенному значению В(t) индукции магнитного поля в образце. Эта операция в схеме на рис. 10 выполняется «интегрирующей RC — цепочкой», состоящей из резистора R и конденсатора С.

Напряжение U₂ создает в RC — цепочке ток I₂ и переменный заряд конденсатора, равный , вследствие чего на конденсаторе образуется напряжение

(7)

поступающее на вход «Y» осциллографа (влиянием большого входного сопротивления осциллографа пренебрегаем).

Сопротивлением RC — цепочки синусоидальному току с частотой , где Т — период колебаний тока, равно

.

где t = RC — «постоянная времени» RC — цепочки. При обычно выбираемом значении отношения 30

Петля гистерезиса

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.

Что такое гистерезис?

В сердечнике любого электромагнита после выключения тока всегда сохраняется часть магнитных свойств, называемая остаточным магнетизмом. Величина остаточного магнетизма зависит от свойств материала сердечника и достигает большего значения у закаленной стали и меньшего у мягкого железа.

Однако, как бы ни было мягко железо, остаточный магнетизм все же будет оказывать известное влияние в том случае, если по условиям работы прибора необходимо перемагничивание его сердечника, т. е. размагничивание до нуля и намагничивание в противоположном направлении.

Действительно, при всяком изменении направления тока в обмотке электромагнита необходимо (благодаря наличию в сердечнике остаточного магнетизма) сначала размагнитить сердечник, и только после этого он может быть намагничен в новом направлении. Для этого потребуется какой-то магнитный поток противоположного направления.

Иначе говоря, изменение намагничивания сердечника (магнитной индукции) всегда отстает от соответствующих изменений магнитного потока (напряженности магнитного поля), создаваемого обмоткой.

Это отставание магнитной индукции от напряженности магнитного поля носит название гистерезиса . При каждом новом намагничивании сердечника для уничтожения его остаточного магнетизма приходится действовать на сердечник магнитным потоком противоположного направления.

Практически это будет означать затрату какой-то части электрической энергии на преодоление коэрцитивной силы, затрудняющей поворот молекулярных магнитиков в новое положение. Затраченная на это энергия выделяется в железе в виде тепла и представляет потери на перемагничивание, или, как говорят, потери на гистерезис .

Исходя из сказанного, железо, подверженное в том или ином приборе непрерывному перемагничиванию (сердечники якорей генераторов и электродвигателей , сердечники трансформаторов), должно выбираться всегда мягкое, с очень небольшой коэрцитивной силой. Это дает возможность уменьшить потери на гистерезис и тем самым повысить коэффициент полезного действия электрической машины или прибора.

Петля гистерезиса — кривая, изображающая ход зависимости намагничивания от напряженности внешнего поля. Чем больше площадь петли, тем большую работу на перемагничивание надо затратить.

Представим себе простой электромагнит с железным сердечником. Проведем его через полный цикл намагничивания, для чего будем менять намагничивающий ток от нуля до величины ОМ в обоях направлениях.

Начальный момент: сила тока равна нулю, железо не намагничено, магнитная индукция В=0.

1-ая часть: намагничивание изменением тока от 0 до величины — + ОМ. Индукция в железе сердечника будет возрастать сначала быстро, затем медленнее. К концу операции, в точке А железо так насыщено магнитными силовыми линиями, что дальнейшее усиление тока (свыше + ОМ) может дать самые незначительные результаты, почему операцию намагничивания можно считать законченной.

Намагничивание до насыщения означает, что имеющиеся в сердечнике молекулярные магниты, находящиеся в начале процесса намагничивания в полном, а затем лишь в частичном беспорядке, почти все расположились теперь стройными рядами, северными полюсами в одну сторону, южными в другую, почему на одном конце сердечника мы имеем теперь северную полярность, на другом — южную.

2-я часть: ослабление магнетизма вследствие уменьшения тока от + ОМ до 0 и полное размагничивание при токе — OD. Магнитная индукция, изменяясь по кривой АС, дойдет до значения ОС, в то время как ток уже будет равен нулю. Эту магнитную индукцию называют остаточным магнетизмом, или остаточной магнитной индукцией. Для уничтожения ее, для полного, следовательно, размагничивания, необходимо дать в электромагнит ток обратного направления и довести его до значения, соответствующего на чертеже ординате OD.

3-я часть: намагничивание в обратную сторону путем изменения тока от — OD до — ОМ1. Магнитная индукция, возрастая по кривой DE, дойдет до точки Е, соответствующей моменту насыщении.

4-я часть: ослабление магнетизма постепенным уменьшением тока от — ОМ1, до нуля (остаточный магнетизм OF) и последующее размагничивание путем перемены направления тока и доведения его до величины + ОН.

5-я часть: намагничивание, соответствующее процессу 1-й части, доведение магнитной индукции от нуля до + МА путем изменении тока от + ОН до + ОМ.

П ри уменьшении размагничивающего тока до нуля не все элементарные или молекулярные магниты приходят в прежнее беспорядочное состояние, но часть их сохраняет свое положение, соответствующее последнему направлению намагничивания. Это явление запаздывания или задерживания магнетизма и носит название гистерезиса.

Петля гистерезиса

Для обозначения запаздывающих процессов применяют специальное название гистерезис что это такое в электротехнике можно понять после изучения представленных ниже сведений. В общем определении подразумевается наличие определенной задержки на внешнее воздействие. Изменение системы зависит от ее предыдущего состояния. Данное явление отличается от инерционности нелинейностью рабочих характеристик.

Общие понятия гистерезиса

Основные определения процесса поясняют следующие практические примеры. Что такое гистерезис в экономике? При рассмотрении данной сферы деятельности можно изучить стандартную организацию экспорта товаров. Для освоения новой территории необходимо выполнить несколько действий:

• изучить потенциальный интерес к определенной продукции с помощью исследования рынка;
• проверить наличие конкурентных предложений;
• создать дилерскую сеть (продажа и техническое обслуживание);
• обеспечить первичную поставку;
• провести рекламную кампанию.

На первоначальном этапе придется приложить достаточно большие усилия. Далее хорошо налаженный торговый механизм будет приносить прибыль в рабочем режиме. На этой стадии большее значение приобретают менее затратные контрольные функции. Если бизнес нужно будет перенести в другой регион, процесс повторяется аналогичным образом с определенной временной задержкой. Приведенный выше график наглядно демонстрирует изменение экономических параметров на примере физических величин.

Вещества и их магнитные свойства

Образцы, изготовленные из разных материалов, особым образом реагируют на воздействие магнитного поля. Основные различия определяются магнитной проницаемостью (μ). Это коэффициент (множитель), показывающий разницу векторного значения индукции (B) в этом веществе, по сравнению с вакуумом (B):

• диамагнетики (μ≤1) – медь, вода, водород;
• парамегнетики (μ≥1) – эбонит, кислород, платина;
• ферромагнетики (μ значительно больше 1) – кобальт, никель, железо.

Последняя группа отличается магнетизмом, который сохраняется после удаления внешнего воздействия.

К сведению. При нагреве ферромагнетика на определенном уровне (точка Кюри) магнитные свойства пропадают. Для железа этот показатель составляет +770°C.

Намагниченность (М) можно определить, как разницу между индукциями (B-B0), либо выразить через проницаемость следующей формулой:

М = μ* B0 – B0 = (μ-1)*B0.

Виды гистерезиса в физике

Для решения практических электротехнических задач следует изучить подробно магнитный гистерезис. Полное представление об аналогичных явлениях на основе физических принципов можно получить после рассмотрения сегнетоэлектрических и упругих процессов.

Магнитный гистерезис

В соответствии с базовым определением, это явление обозначает отставание намагниченности (М) материала от изменяющегося воздействия внешнего поля. Для эксперимента можно собрать схему, в которой ток пропускают через соленоид. Регулируют уровень напряженности (Н) с помощью параллельного переменного резистора. Сердечник – из ферромагнетика.

Важно! Представленные зависимости следует рассматривать в комплексе с графиком на первом рисунке.

До начала эксперимента образец обладает нейтральными характеристиками. Намагниченность и напряженность равны нулю, магнитные моменты доменов расположены хаотически. После замыкания цепи и увеличения силы тока увеличивается напряженность. На рисунке показано, как одновременно с этим изменяется направленность моментов. Индукция в образце (B) равна сумме напряженности и намагниченности с корректирующим множителем (μ0):

На определенном уровне показатель μ0*M увеличивается до предельного значения. Последующее изменение напряженности внешнего поля не оказывает на него никакого влияния.

Сегнетоэлектрический гистерезис

Причина особой формы графика в этом примере – образование поляризации без приложения сил внешнего поля. Такой эффект наблюдается в определенном температурном диапазоне. Соответствующие материалы называют сегнетоэлектриками.

На первом рисунке показана петля гистерезиса, где отмечены места:

• точкой «а» – состояние насыщения;
• Pc – остаточная поляризованность;
• -Ec– коэрцитивная сила.

На второй части (2) изображено хаотичное (а) и направленное (б) расположение доменов. Ориентацию вдоль линий электростатического поля применяют для создания конденсаторов с изменяемой емкостью.

К сведению. Как и в других веществах, при повышении температуры до уровня точки Кюри намагниченность пропадает.

Упругий гистерезис

Это явление объясняется особыми механическими свойствами отдельных материалов. Они сохраняют созданную достаточно сильным ударным воздействием форму. Типичный пример – изготовление изделий из металла с применением ковки.

Механизм возникновения петли гистерезиса

Для подробного изучения этого процесса нужно проанализировать отдельные участки кривой, обозначающей изменение индукции. Описание основных этапов:

1. сначала наблюдается смещение границ между соседними доменами;
2. далее ориентация моментов изменяется быстро в направлении силовых линий внешнего поля;
3. на этой стадии новое расположение границ становится необратимым;
4. этот участок характеризуется ростом отдельных доменов до максимального размера, магнитные моменты располагаются в точном соответствии линиям воздействующего поля;
5. завершающий участок показывает отсутствие влияния на магнитные моменты напряженности, созданной соленоидом.

Если уменьшить силовые параметры внешнего поля, образуется петля гистерезиса что это такое показывать можно на первой картинке (по направлению стрелок). Следует обратить внимание, что кривые отличаются. Запаздывание индукции соответствует базовым принципам явления. При нулевой напряженности B≠0. Эту величину называют остаточной индукцией. Данная особенность объясняет понятный процесс создания постоянного магнита. Сердечник сохраняет соответствующие свойства даже после отключения источника питания.

Намагниченность можно убрать повешением температуры до уровня точки Кюри определенного материала. Аналогичный результат получают с помощью соответствующего внешнего силового поля (-Hc). Эта напряженность создает коэрцитивную силу, достаточную для размагничивания сердечника из стали либо другого ферромагнетика. Завершенный полностью цикл называют петлей магнитного гистерезиса.

Применение гистерезиса в электротехнике и электронике

Намагниченность материалов и особенности переходных процессов следует учитывать при создании двигателей и трансформаторов. При эксплуатации этого оборудования в цепях переменного тока часть потребляемого электричества необходимо использовать для перемагничивания установленного сердечника. Аналогичные явления наблюдаются при работе коммутационных аппаратов. Изучение гистерезиса помогает увеличить КПД силовых машин и преобразователей напряжения, обеспечить необходимую скорость переключения реле.

На рисунке показана передаточная характеристика триггера Шмидта. Изменение выходного сигнала с определенным запаздыванием применяют для устранения ошибок при передаче информации. Обычный инвертор реагирует на импульсные помехи немедленным переключением. В данном случае временная задержка выполняет полезные функции фильтра. Она помогает корректно воспринимать управляющие сигналы в сложных условиях эксплуатации.

Такие решения применяют в электронике для исключения проблем при дребезге контактов. Расчетное замедление рабочих реакций можно пояснить с помощью типового терморегулятора. Если такое устройство создано без гистерезиса, переключения будут выполняться слишком часто. Однако в реальных условиях (отопление помещения) вполне достаточна точность ±3°C. Увеличив ширину петли, можно установить оптимальный диапазон для поддержания заданного температурного режима.

Использование графического изображения гистерезиса для расчётов

Для наглядного эксперимента можно собрать простую схему, представленную ниже:

• резистором R1 ограничивают переменный ток, проходящий через обмотку катушки;
• с элемента R2 снимают напряжение для формирования картинки на экране осциллографа;
• емкость конденсатора подбирают таким образом, чтобы 1/(w*С) получилось намного меньше R3.

После подключения к осциллографу на экране можно наблюдать петлю гистерезиса. Это изображение с учетом реального масштаба можно использовать для расчетов и оценки характеристик созданной катушки. В следующем списке приведено соответствие отдельных отрезков рассмотренным выше параметрам:

• ОА – коэрцитивная сила;
• ОС – остаточная индукция;
• ОД – индукция насыщения;
• ОВ – магнитное поле.

К сведению. По установленной площади петли можно определить потери. Размер этой области соответствует работе, которая затрачена на компенсацию коэрцитивных сил. Эта энергия разогревает ферромагнетик и фактически расходуется впустую.

Площадь магнитного гистерезиса

Материалы с магнитными свойствами разделяют на две группы по ширине петли гистерезиса. Магнитомягкие (узкий график) отличаются сравнительно небольшой коэрцитивной силой и соответствующими меньшими энергетическими затратами. Такие изделия применяют для изготовления электродвигателей, приводов, трансформаторов напряжения.

Магнитотвердые отличаются увеличенным временем реакции на воздействие внешним полем. Эти материалы используют для создания микросхем памяти, постоянных магнитов.

Видео