Меню

Что такое напряжение гистерезиса чем можно его обеспечить

Что такое гистерезис в электротехнике и электронике?

Некоторые физические и другие системы с запаздыванием отвечают на различные воздействия, приложенные к ним. При этом отклик на воздействие во многом зависит от текущего состояния системы и определяется предысторией настоящего состояния. Для описания таких явлений применяется термин – гистерезис, что в переводе с греческого означает отставание.

Что такое гистерезис?

Говоря простым и понятным языком – гистерезис это ответная, запоздалая реакция некой системы на определённый раздражитель (воздействие). При устранении причины, вызвавшей ответную реакцию системы, либо в результате противоположного действия, она полностью или частично возвращается к первоначальному состоянию. Причём для такого явления характерно то, что поведение системы между крайними состояниями не одинаково. То есть: характеристики перехода от первоначального состояния и обратно – сильно отличаются.

Явление гистерезиса наблюдается:

  • в физике;
  • электротехнике и
    радиоэлектронике;
  • биологии;
  • геологии;
  • гидрологии;
  • экономике;
  • социологии.

Гистерезис может иметь как полезное, так и пагубное влияние на происходящие процессы. Это отчётливо просматривается в электротехнике и электронике, о чём речь пойдёт ниже.

Динамический гистерезис

Рассмотрим явление запаздывания ответной реакции во времени на примере механической деформации. Предположим у нас есть металлический стержень, обладающий упругой деформацией. Приложим к одному концу стержня силу, направленную в сторону другого конца, который покоится на опоре. Например, поставим стержень под пресс.

По мере возрастания давления, тело будет сжиматься. В зависимости от механических характеристик металла, реакция стержня на приложенную силу (напряжение) будет проявляться по-разному: вначале сила упругости постепенно будет возрастать, потом она резко устремится к пороговому значению. Достигнув порогового значения, сила упругого напряжения уже не сможет противодействовать возрастающему нагружению.

Если увеличивать силу давления, то в стержне произойдут необратимые изменения – он, либо изменит свою форму, либо разрушится. Но мы не будем доводить наш эксперимент до такого состояния. Начнём уменьшать силу давления. Реакция напряжения при этом будет меняться зеркально: вначале резко понизится, потом постепенно будет стремиться к нулю, по мере разгрузки.

Отставание процесса развития деформации во времени, под действием приложенного механического напряжения вследствие упругого гистерезиса описывается динамической петлей (см. рис. 2). Явление обусловлено особенностями перемещений дислокаций микрочастиц вещества.

Различают упругий гистерезис двух видов:

  1. Динамический, при котором напряжения изменяются циклически, а максимальная амплитуда напряжений не достигает пределов упругости.
  2. Статический, характерный для вязкоупругих или неупругих деформаций. При таких деформациях полностью, либо частично исчезают напряжения при снятии нагрузки.

Причиной динамического гистерезиса являются также силы термоупругости и магнитоупругости.

Петля гистерезиса

Кривая, характеризующая ход зависимости ответной реакции системы от приложенного воздействия называется петлёй гистерезиса (показана на рис. 1).

Все петли, характеризующие циклический гистерезис, состоят из одной или нескольких замкнутых линий различной формы. Если после завершения цикла система не возвращается в первоначальное состояние, (например, при вязкоупругой деформации), то динамическая петля имеет вид кривой, показанной на рисунке 2.

Анализ гистерезисных петель позволяет очень точно определить поведение системы в результате внешнего воздействия на неё.

Гистерезис в электротехнике

Важными характеристиками сердечников электромагнитов и других электрических машин являются параметры намагничивания ферромагнитных материалов, из которых они изготавливаются. Исследовать эти материалы помогают петли ферромагнетиков. В данном случае прослеживается нелинейная зависимость внутренней магнитной индукции от величины внешних магнитных полей.

На процесс намагничивания (перемагничивания) влияет предыдущее состояние ферромагнетика. Кроме того, кривая намагничивания зависит от типа ферромагнитного образца, из которого состоит сердечник.

Если по катушке с сердечником циркулирует переменный ток, то намагничивания образца приводит к отставанию намагничивания. В результате намагничивания сердечника происходит сдвиг фаз в цепи с индуктивной нагрузкой. Ширина петли гистерезиса при этом зависит от гистерезисных свойств ферромагнетиков, применяемых в сердечнике.

Это объясняется тем, что при изменении полярности тока, ферромагнетик какое-то время сохраняет приобретённую ориентацию полюсов. Для переориентации этих полюсов требуется время и дополнительная энергия, которая израсходуется на нагревание вещества, что приводит к гистерезисным потерям. По величине потерь материалы подразделяются на магнитомягкие и магнитотвёрдые (см. рис. 3).

Магнитный гистерезис в ферромагнетиках отображает зависимость вектора намагничивания от напряженности электрического поля (см. Рис. 3). Но не только изменение поля по знаку вызывает гистерезис. Вращение поля или (что, то же самое) магнитного образца, также сдвигает временные характеристики намагничивания.

Обратите внимание, что на рисунке изображены двойные петли. Такие петли характерны для магнитного гистерезиса.

В однодоменных ферромагнетиках, которые состоят из очень маленьких частиц, образование доменов не поддерживается (не выгодно с точки зрения энергетических затрат). В таких образцах могут происходить только процессы магнитного вращения.

В электротехнике гистерезисные свойства используются довольно часто:

  • в работе электромагнитных реле;
  • в конструкциях коммутационных приборов;
  • при создании электромоторов и других силовых механизмов.

Явления диэлектрического гистерезиса

У диэлектриков отсутствуют свободные заряды. Электроны тесно связаны со своими атомами и не могут перемещаться. Другими словами, у диэлектриков спонтанная поляризация. Такие вещества называются сегнетоэлектриками.

Читайте также:  Стабилизаторы напряжения lider ps1200w

Однако под действием электрического поля заряды в диэлектриках поляризуются, то есть изменяют ориентацию в противоположные стороны. С увеличением напряжённости поля абсолютная величина вектора поляризации возрастает по нелинейному принципу. В определённый момент поляризация достигает насыщённости, что вызывает эффект диэлектрического гистерезиса.

На изменение поляризации уходит часть энергии, в виде диэлектрических потерь.

Гистерезис в электронике

При срабатывании различных пороговых элементов, часто применяемых в электронных устройствах, требуется задержка во времени. Например, гистерезис используется в компаратороах или триггерах Шмидта с целью стабилизации работы устройств, которые могут срабатывать в результате помех или случайных всплесков напряжения. Задержка по времени исключает случайные отключения электронных узлов.

На таком принципе работает электронный термостат. При достижении заданного уровня температуры устройство срабатывает. Если бы не было эффекта задерживания, частота срабатываний оказалась бы неоправданно высокой. Изменение температуры на доли градуса приводило бы к отключению термостата.

На практике часто разница в несколько градусов не имеет особого значения. Используя устройства, обладающего тепловым гистерезисом, позволяет оптимизировать процесс поддержания рабочей температуры.

Источник

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.

Петля гистерезиса демонстрирует изменение намагниченности образца из ферромагнитного материала

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.

Схема экспериментальной установки

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.

Сегнетоэлектрики

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.

Читайте также:  Как подключить стабилизатор напряжения однофазный руселф

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.

Триггер Шмидта

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.

Эксперимент

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.

Магнитомягкие и магнитотвердые материалы

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

Видео

Источник



Что такое гистерезис, какие польза и вред от данного явления

Определение понятия

У слова «Гистерезис» греческие корни, оно переводится как запаздывающий или отстающий. Этот термин используется в разных сферах науки и техники. В общем смысле понятие гистерезис отличает различное поведение системы при противоположных воздействиях.

Это можно сказать и более простыми словами. Допустим есть какая-то система, на которую можно влиять в нескольких направлениях. Если при воздействии на неё в прямом направлении, после прекращения система не возвращается в исходное состояние, а устанавливается в промежуточном – тогда чтобы вернуть в исходное состояние нужно воздействовать уже в другом направлении с какой-то силой. В этом случае система обладает гистерезисом.

Иногда это явление используется в полезных целях, например, для создания элементов, которые срабатывают при определённых пороговых значениях воздействующих сил и для регуляторов. В других случаях гистерезис несёт пагубное влияние, рассмотрим это на практике.

Гистерезис в электротехнике

В электротехнике гистерезис – это важная характеристика для материалов, из которых изготавливаются сердечники электрических машин и аппаратов. Прежде чем приступать к объяснениям, давайте рассмотрим кривую намагничивания сердечника.

Читайте также:  Чему равняется напряжение формула

Кривая намагничивания

Изображение на графике подобного вида называют также петлей гистерезиса.

Важно! В данном случае речь идет о гистерезисе феромагнетиков, здесь это нелинейная зависимость внутренней магнитной индукции материала от величины внешней магнитной индукции, которая зависит от предыдущего состояния элемента.

При протекании тока через проводник вокруг последнего возникает магнитное и электрическое поле. Если смотать провод в катушку и пропустить через него ток, то получится электромагнит. Если поместить внутрь катушки сердечник, то её индуктивность увеличится, как и силы, возникающие вокруг неё.

Отчего зависит гистерезис? Соответственно сердечник изготавливается из металла, от его типа зависят его характеристики и кривая намагничивания.

Если использовать, например, каленную сталь, то гистерезис будет шире. При выборе так называемых магнитомягких материалов – график сузится. Что это значит и для чего это нужно?

Дело в том, что при работе такой катушки в цепи переменного тока ток протекает то в одном, то в другом направлении. В результате и магнитные силы, полюса постоянно переворачивается. В катушке без сердечника это происходит в принципе одновременно, но с сердечником дела обстоят иначе. Он постепенно намагничивается, его магнитная индукция возрастает и постепенно доходит до почти горизонтального участка графика, который называется участком насыщения.

Участок насыщения

После этого, если вы начнете изменять направление тока и магнитного поля, сердечник должен будет перемагнитится. Но если просто отключить ток и тем самым убрать источник магнитного поля, сердечник все равно останется намагниченным, хоть и не так сильно. На следующем графике это точка «А». Чтобы его размагнитить до исходного состояния нужно создать уже отрицательную напряженность магнитного поля. Это точка «Б». Соответственно ток в катушке должен протекать в обратном направлении.

Значение напряженности магнитного поля для полного размагничивания сердечника называется коэрцитивной силой и чем она меньше, тем лучше в данном случае.

Коэрцитивная сила

Перемагничивание в обратном направлении будет проходить аналогично, но уже по нижней ветви петли. То есть при работе в цепи переменного тока часть энергии будет затрачиваться на перемагничивание сердечника. Это ведёт к тому что КПД электродвигателя и трансформатора снижается. Соответственно это приводит к его нагреву.

Сердечник

Важно! Чем меньше гистерезис и коэрцитивная сила, тем меньше потери на перемагничивание сердечника.

Кроме выше описанного гистерезис характерен и для работы реле и других электромагнитных коммутационных приборов. Например, ток отключения и включения. Когда реле выключено, чтобы оно сработало нужно приложить определённый ток. При этом ток его удержания во включенном состоянии может быть намного ниже тока включения. Оно отключится только тогда, когда ток опустится ниже тока удержания.

Гистерезис в электронике

В электронных устройствах гистерезис несёт в основном полезные функции. Допустим это используется в пороговых элементах, например, компараторах и триггерах Шмидта. Ниже вы видите график его состояний:

Состояния

Это нужно в тех случаях, чтобы устройство сработало при достижении сигнала X, после чего сигнал может начать уменьшаться и устройство не отключилось до тех пор, пока сигнал не упадет до уровня Y. Такое решение используется для подавления дребезга контакта, помех и случайных всплесков, а также в различных регуляторах.

Например, термостат или регулятор температуры. Обычно его принцип действия заключается в том, чтобы отключить нагревательный (или охладительный) прибор в тот момент, когда температура в помещении или другом месте достигла заданного уровня.

Рассмотрим два варианта работы кратко и просто:

  1. Без гистерезиса. Включение и отключение при заданной температуре. При этом здесь есть нюансы. Если вы установили регулятор температуры на 22 градуса и обогреваете комнату до этого уровня, то как только в комнате будет 22 он выключится, а когда вновь опустится до 21 – включится. Это не всегда правильное решение, потому что ваш управляемый прибор будет слишком часто включаться и отключаться. К тому же в большинстве бытовых и многих производственных задачах нет нужды настолько четкой поддержки температуры.
  2. С гистерезисом. Чтобы сделать некий зазор в допустимом диапазоне регулируемых параметров применяют гистерезис. То есть, если вы установили температуру в 22 градуса, то, как только она будет достигнута, обогреватель отключится. Допустим, что гистерезис в регуляторе установлен на зазор в 3 градуса, то обогреватель вновь заработает только тогда, когда температура воздуха опустится до 19 градусов.

Иногда этот зазор регулируется на ваше усмотрение. В простых исполнениях используются биметаллические пластины.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео, в котором рассказывается, что такое гистерезис и как его можно использовать:

Мы рассмотрели явление и применение гистерезиса в электрике. Итог следующий: в электроприводе и трансформаторах он несет пагубный эффект, а в электронике и разнообразных регуляторах находит и полезное применение. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной и интересной!

Источник

Adblock
detector