Описание явления магнитного гистерезиса
Здесь показатель D0 обозначает индукцию поля в конденсаторе с обычным диэлектриком, а D — с сегнетоэлектриком. Поскольку значение диэлектрической проницаемости обычного конденсатора является постоянной величиной, то напряжение на обычном конденсаторе будет прямо пропорционально индукции.
Если на горизонтально отклоненные пластины осциллографа подать напряжение с конденсатора с сегнетоэлектриком, а на вертикальные – с обычного конденсатора, то мы увидим на экране петлю гистерезиса.
Мы же остановимся именно на гистерезисе в электронной технике, связанным с магнитными процессами в различных веществах. Он показывает, как себя ведет тот или другой материал в электромагнитном поле, а это тем самым позволяет строить графики зависимости и снимать какие-то показания сред, в которых находятся эти самые материалы. Например, этот эффект используется в работе терморегулятора.
Рассматривая более подробно понятие гистерезиса и эффект с ним связанный, можно заметить такую особенность. Вещество, обладающее такой особенностью, способно переходить в насыщение. То есть, это то состояние, при котором оно больше не способно накапливать в себе энергию. А при рассмотрении процесса на примере ферромагнитных материалов энергия выражается намагниченностью, которая возникает благодаря имеющейся магнитной связи между молекулами вещества. А они создают магнитные моменты – диполи, которые в обычном состоянии направлены хаотически.
Намагниченность в данном случае – это принятие магнитными моментами определенного направления. Если же они направлены хаотически, то ферромагнетик считается размагниченным. Но когда диполи направлены в одну сторону, то материал намагничен. По степени намагниченности сердечника катушки можно судить о величине магнитного поля, создаваемого током, протекающим по ней.
Чтобы подробно понять процесс гистерезиса, необходимо досконально изучить следующие понятия:
Магнитное поле – это среда, которая создается линиями магнитной индукции, образованными током, протекающим по проводнику или созданные строго направленными магнитными моментами в постоянном магните.- Вектор магнитной индукции – величина, указывающая направление распространения магнитного поля, обозначается большой буквой В.
- Намагниченность – состояние вещества, при котором в нем еще остались направленные магнитные диполи. В физике и электротехнике обозначается буквой М.
- Напряженность магнитного поля – величина, характеризующая разницу между В и М, обозначается буквой Н.
Что касается материалов, в которых лучше всего наблюдается эффект гистерезиса, то таковыми являются именно ферромагнетики. Это смесь химических элементов, которая способна намагничиваться за счет направленности магнитных диполей, поэтому обычно в составе имеются такие металлы, как:
- железо;
- кобальт;
- никель;
- соединения на их основе.
Чтобы увидеть гистерезис, на катушку с сердечником из ферромагнетика необходимо подать переменное напряжение. При этом от величины его график намагничивания сильно зависеть не будет, потому как эффект зависит напрямую от свойства самого материала и величины магнитной связи между элементами вещества.
Основополагающим моментом при рассмотрении понятия гистерезиса в электронике является как раз магнитная индукция В, созданная вокруг катушки при подаче напряжения. Она определяется по стандартной формуле, как произведение магнитной диэлектрической проницаемости вещества к сумме напряженности и намагниченности поля.
Чтобы понять общий принцип эффекта гистерезиса, необходимо воспользоваться графиком. На нем видна петля намагничивания из состояния полной размагниченности. Участок можно обозначить цифрами 0-1. При достаточной величине напряжения и длительности воздействия магнитного поля на материал график доходит до крайней своей точки по указанной траектории.
После снятия напряжения с катушки напряженность магнитного поля падает до нуля. Это участок на графике 1-2. При этом материал за счет направленности магнитных моментов остается намагниченным. Но величина намагниченности несколько ниже, чем при насыщении. Если такой эффект наблюдается в веществе, то оно относится к ферромагнетикам, способным накапливать в себе магнитное поле за счет сильных магнитных связей между молекулами вещества.
Со сменой полярности напряжения, подводимого к катушке, процесс размагничивания продолжается по той же кривой до состояния насыщения. Только в этом случае магнитные моменты диполей будут направлены в обратную сторону. С частотой сети процесс будет периодически повторяться, описывая график, получивший название – петля магнитного гистерезиса.
При многократном намагничивании ферромагнетика меньшей, чем при насыщении напряженностью, то можно получить семейство кривых, из которых можно построить общий график, характеризующий состояние вещества от полного размагниченного до полного намагниченного.
Казалось бы, гистерезис – это больше внутренний эффект, который не виден на поверхности материала, но он сильно зависит не только от типа самого материала, но и от качества и вида его механической обработки. Например, железо переходит в насыщение при напряженности равной 1 э, а сплав магнико достигает своей критической точки только при 580 э. Чем больше дефектов на поверхности материала, тем требуется больше напряженность магнитного поля, чтобы вывести его в насыщение.
В результате намагничивания и размагничивания в материале выделяется тепловая энергия, которая равна площади петли гистерезиса. Также к потерям в ферромагнетике можно отнести действие вихревых токов и магнитной вязкости вещества. Это обычно наблюдается при изменении частоты магнитного поля в большую сторону.
В зависимости от характера поведения ферромагнетика в среде с магнитным полем, различают статический и динамический гистерезис. Первый наблюдается при номинальной частоте напряжения, но с ее ростом площадь графика увеличивается, что приводит и к росту потерь.
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 поляH.
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 .
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.
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 .
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.
Примеры существования гистерезиса в разных условиях
Условие: поясните, как именно можно проиллюстрировать роль доменов в поляризации сегнетоэлектрика с помощью явления гистерезиса.
Решение
Сегнетоэлектрик обладает нелинейными свойствами из-за наличия в нем доменов. Нам важно такое свойство, как нелинейная зависимость между поляризацией P→ и напряженностью внешнего поля E→:
P→=χE→ε0E→
Здесь χE→ — показатель, выражающий диэлектрическую восприимчивость, который также зависит от напряженности внешнего поля. Именно эта зависимость ведет к гистерезису в электрическом поле.
Вернемся к иллюстрации, представленной выше. Если взять небольшие поля, например, отрезок OA1, то на нем будет видно, что поляризация зависит от напряженности линейно, поскольку домены в ней еще не участвуют. На A1A также поляризация показывает быстрый рост с увеличением напряженности поля, поскольку процесс переориентации доменов вдоль внешнего поля идет постепенно. После этого мы видим линейное возрастание поляризации, уже не связанное с доменной структурой, которое происходит за счет индуцирования процесса полем. Если мы уменьшим напряжение, то от точки А первичный процесс пойдет в обратном порядке. В сегнетоэлектрике остается поляризация, значит, какое-то время он пытается сохранить прежнюю ориентацию доменов. Если же мы приложим поле с обратным направлением, то поляризация упадет до 0, а если будем продолжать повышать напряженность, то домены переполяризуются (изменят знак), после чего произойдет насыщение A’D’.
Ответ: Насыщение означает, что все домены сориентируются по полю, но в противоположном направлении.
Гистерезис – это комплексное понятие, характеризующее способность вещества накапливать энергию магнитного поля или другой величины за счет имеющихся магнитных связей между молекулами вещества или особенностей работы системы. Но таким эффектом могут обладать не только сплавы железа, кобальта и никеля. Титанат бария даст несколько иной результат, если его поместить в поле с определенной напряженностью.
Так как он является сегнетоэлектриком, то в нем наблюдается диэлектрический гистерезис. Обратная петля гистерезиса образуется при противоположной полярности подводимого к среде напряжения, а величина противоположного поля, действующего на материал, получило название коэрцитивная сила.
При этом величина поля может предшествовать разным напряженностям, что связано с особенностями фактического состояния диполей – магнитных моментов после прошлого намагничивания. Также на процесс влияют различные примеси, содержащиеся в составе материала. Чем их больше, тем труднее сдвинуть стенки диполей, поэтому остается так называемая остаточная намагниченность.
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.
Как получить петлю гистерезиса на осциллографе
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.
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.
Другие свойства
Кроме магнитного гистерезиса, также различают гальвономагнитный и магнитострикционный эффекты. В этих процессах наблюдается изменение электрического сопротивления за счет механической деформации материала. Сегнетоэлектрики под действием деформационных сил способны вырабатывать электрический ток, что объясняется пьезоэлектрическим гистерезисом.
Гистерезис в отоплении
Гистерезис определение относится не только к ферромагнетикам, применяемым в электронике. Такой процесс может происходить и в термодинамике. Например, при организации отопления от газового или электрического котла. Регулирующим компонентом в системе является терморегулятор. Но только контролируемой величиной является температура воды в системе.
При ее снижении до заданного уровня котел включается, начиная подогрев до заданной величины. После чего выключается и процесс повторяется в цикле. Если снять показания температуры при нагреве и остывании системы при каждом цикле включения и выключения отопления, то получиться график в виде петли гистерезиса, который и получил название гистерезис котла.
В таких системах гистерезис выражается в температуре. Например, если он составляет 4°С, а температура теплоносителя установлена 18°С, то котел выключится, когда она достигнет значения 22°С. Таким образом, можно настроить любой приемлемый температурный режим в помещениях. А терморегулятор является, по сути, датчиком температуры или термостатом, который включает или выключает отопления при достижении нижнего и верхнего порога, соответственно.
Любой электромагнитный сердечник после действия электрического тока какое-то время сохраняет магнитное поле (остаточный магнетизм). Эта величина зависит от свойств материала, но остаточный магнетизм всегда имеется. Чтобы перемагнитить сердечник, необходим магнитный поток обратного направления. Изменение магнитной индукции не успевает за изменением магнитного потока. Эта задержка по времени намагничивания сердечника из-за изменения направления магнитных потоков и именуется как гистерезис.
Чтобы понять всю сущность этого явления, необходимо рассмотреть способность веществ к намагничиванию.
