Петля гистерезиса

Петля гистерезиса — это графическое представление зависимости выходной величины системы от входной, при котором значение выходной величины в данный момент времени зависит не только от текущего значения входной, но и от её предшествующих состояний. В физике и технике термин наиболее часто применяется к ферромагнитным материалам, где петля гистерезиса описывает зависимость магнитной индукции B от напряжённости магнитного поля H. Явление гистерезиса характерно для систем с внутренним трением, остаточной деформацией или необратимыми процессами намагничивания.

Физическая сущность явления

Гистерезис (от др.-греч. ὑστέρησις — «отставание», «запаздывание») возникает из-за того, что изменение состояния системы требует преодоления энергетического барьера. В случае ферромагнетиков это связано с движением и переориентацией доменов — микроскопических областей самопроизвольной намагниченности. При воздействии внешнего магнитного поля доменные стенки смещаются, а сами домены поворачиваются, что требует затрат энергии на преодоление сил внутреннего трения и дефектов кристаллической решётки.

Основные характеристики петли гистерезиса

Петля гистерезиса имеет несколько ключевых параметров:

• Коэрцитивная сила (Hc) — величина напряжённости магнитного поля, которую необходимо приложить в обратном направлении, чтобы полностью размагнитить образец (свести индукцию к нулю). Характеризует «жёсткость» магнитного материала.
• Остаточная магнитная индукция (Br) — значение индукции, сохраняющееся в материале после снятия внешнего поля (при H=0). Определяет способность материала сохранять намагниченность.
• Индукция насыщения (Bs) — максимальное значение магнитной индукции, достигаемое при дальнейшем увеличении напряжённости поля, когда все домены ориентированы вдоль поля.
• Площадь петли — пропорциональна энергии, рассеиваемой в виде тепла за один цикл перемагничивания (потери на гистерезис).

Классификация материалов по форме петли

По величине коэрцитивной силы и форме петли гистерезиса магнитные материалы делятся на три основные группы:

Магнитомягкие материалы

Характеризуются узкой и высокой петлёй гистерезиса с малой коэрцитивной силой (Hc < 100 А/м). Легко намагничиваются и размагничиваются, имеют малые потери на перемагничивание. Примеры: чистое железо, электротехническая сталь, пермаллой (сплав железа с никелем). Применяются в сердечниках трансформаторов, электромагнитов, дросселей и магнитных усилителях.

Магнитотвёрдые материалы

Обладают широкой петлёй гистерезиса с высокой коэрцитивной силой (Hc > 10 кА/м) и большим значением остаточной индукции. После намагничивания сохраняют магнитное поле длительное время. Примеры: ферриты бария и стронция, сплавы неодим-железо-бор (NdFeB), самарий-кобальт (SmCo). Используются для изготовления постоянных магнитов в электродвигателях, динамиках, магнитных сепараторах.

Материалы с прямоугольной петлёй гистерезиса (ППГ)

Отличаются резким переключением между двумя устойчивыми состояниями намагниченности. Применяются в устройствах цифровой памяти и магнитных логических элементах. Примеры: специальные ферриты и тонкие магнитные плёнки.

Применение в технике

Электротехника и электроника

Петля гистерезиса является основой для расчёта потерь в магнитопроводах электрических машин и трансформаторов. Потери на гистерезис составляют значительную часть общих потерь в стали и определяют нагрев сердечников. Для их минимизации используют магнитомягкие материалы с узкой петлёй.

Запись и хранение информации

Принцип гистерезиса лежит в основе работы магнитных носителей информации: жёстких дисков, магнитных лент, дискет. Магнитный слой носителя изготавливается из магнитотвёрдого материала, способного сохранять два устойчивых состояния намагниченности, соответствующих логическим «0» и «1». Считывающая головка регистрирует изменения магнитного потока при движении носителя.

Автоматика и управление

Гистерезис используется в релейных системах управления для предотвращения дребезга контактов и ложных срабатываний. Например, термостаты и регуляторы температуры имеют гистерезисную характеристику: включение нагревателя происходит при одной температуре, а выключение — при другой, что исключает частые переключения. В компараторах и триггерах Шмитта гистерезис обеспечивает помехоустойчивость.

Гистерезис в других областях

Упругий гистерезис

Наблюдается в материалах при циклическом деформировании. Зависимость деформации от напряжения не совпадает при нагрузке и разгрузке, что приводит к рассеянию энергии (внутреннее трение). Характерен для резин, полимеров, биологических тканей. В строительстве учитывается при расчёте сейсмостойкости конструкций.

Сегнетоэлектрический гистерезис

Аналогичен магнитному, но проявляется в сегнетоэлектриках (например, титанат бария, цирконат-титанат свинца). Зависимость поляризации P от напряжённости электрического поля E образует петлю гистерезиса. Используется в сегнетоэлектрической памяти (FeRAM) и пьезоэлектрических преобразователях.

Экономический и социальный гистерезис

В экономике термин применяется для описания явлений, когда последствия временного шока (например, кризиса) сохраняются после устранения его причины. Пример: длительная безработица, которая не снижается до прежнего уровня даже после восстановления экономики, из-за потери квалификации работниками. В социологии гистерезис описывает инерцию социальных норм и институтов.

Интересные факты

• Термин «гистерезис» ввёл в 1881 году британский физик Джеймс Альфред Юинг для описания явления в магнитных материалах.
• Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, теряемой за цикл. В трансформаторах эти потери стремятся минимизировать, а в нагревательных устройствах (индукционных печах) — наоборот, используют.
• Магнитные материалы с прямоугольной петлёй гистерезиса применялись в ранних вычислительных машинах для построения запоминающих устройств на ферритовых сердечниках.
• В 2020-х годах ведутся исследования по созданию материалов с нулевым гистерезисом (супермагнетиков) для сверхэффективных трансформаторов.

Источники

• Физическая энциклопедия. Том 1. — М.: Советская энциклопедия, 1988.
• Калашников С. Г. Электричество. — М.: Наука, 1985.
• Преображенский А. А., Бишард Е. Г. Магнитные материалы и элементы. — М.: Высшая школа, 1986.
• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Электродинамика сплошных сред. — М.: Наука, 1982.
• ГОСТ 19693-74. Материалы магнитные. Термины и определения.