Гістерезис
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Гістерезис

Гістерезис (від греч.(грецький) hysteresis — відставання, запізнювання), явище, яке полягає в тому, що фізична величина, що характеризує стан тіла (наприклад, намагніченість), неоднозначно залежить від фізичні величини, що характеризує зовнішні умови (наприклад, магнітного поля). Р. спостерігається в тих випадках, коли стан тіла в даний момент часу визначається зовнішніми умовами не лише в той же, але і в передуючих моменти часу. Неоднозначна залежність величин спостерігається в будь-яких процесах, т.к. для зміни стану тіла завжди потрібний певний час (час релаксації ) і реакція тіла відстає від зухвалих її причин. Таке відставання тим менше, чим повільніше змінюються зовнішні умови Проте для деяких процесів відставання при уповільненні зміни зовнішніх умов не зменшується. У цих випадках неоднозначну залежність величин називається гістерезисною, а само явище — Р.

загрузка...

  Р. спостерігається в різних речовинах і при різних фізичних процесах. Найбільший інтерес представляють: магнітний Р., діелектричний Р. і пружний Р.

  Магнітний Р. спостерігається в магнітних матеріалах, наприклад в феромагнетиках . Основною особливістю феромагнетиків є наявність спонтанної (мимовільною) намагніченості. Зазвичай феромагнетик намагнічений не однорідно, а розбитий на домени — області однорідної спонтанної намагніченості, в яких величина намагніченості (магнітного моменту одиниці об'єму) однакова, а напрями різні. Під дією зовнішнього магнітного поля число і розміри доменів, намагнічених по полю, збільшуються за рахунок ін. доменів. Крім того, магнітні моменти окремих доменів можуть повертатися по полю. У результаті магнітний момент зразка збільшується.

  На мал. 1 змальована залежність магнітного моменту М-коду феромагнітного зразка від напруженості Н зовнішнього магнітного поля (крива намагнічення). У досить сильному магнітному полі зразок намагнічується до насичення (при подальшому збільшенні поля значення М-код практично не змінюється, крапка А). При цьому зразок складається з одного домена з магнітним моментом насичення M s , направленим по полю. При зменшенні напруженості зовнішнього магнітного поля Н магнітний момент зразка М-коду зменшуватиметься по кривій I переважно за рахунок виникнення і зростання доменів з магнітним моментом, направленим проти поля. Зростання доменів обумовлене рухом доменних стінок. Цей рух утруднений із-за наявності в зразку різних дефектів (домішок, неоднородностей і т.п.) які закріплюють доменні стінки в деяких положеннях; потрібні досить сильні магнітні поля для того, щоб їх зрушити. Тому при зменшенні поля Н до нуля в зразка зберігається т.з. залишковий магнітний момент M r (точка В ).

  Зразок повністю розмагнічується лише в досить сильному полі протилежного напряму, званому коерцитівним полем ( коерцитівной силою ) Н з (крапка З). При подальшому збільшенні магнітного поля зворотного напряму зразок знов намагнічується уздовж поля до насичення (точка D ). Перемагнічування зразка (з точки D в точку А ) відбувається по кривій II . Т. о., при циклічній зміні поля крива, що характеризує зміну магнітного моменту зразка, утворює петлю магнітного Г. Еслі поле Н циклічно змінювати в таких межах, що намагніченість насичення не досягається, то виходить негранична петля магнітного Р. (крива III ). Зменшуючи амплітуду зміни поля Н до нуля, можна зразок повністю розмагнітити (прийти в крапку Про). Намагнічення зразка з крапки Про відбувається по кривій IV .

  При магнітному Р. одному і тому ж значенню напруженості зовнішнього магнітного поля Н відповідають різні значення магнітного моменту М-коду . Ця неоднозначність обумовлена впливом станів зразка, передуючих даному (тобто магнітною передісторією зразка).

  Вигляд і розміри петлі магнітного Р., величина Н з в різних феромагнетиках можуть мінятися в широких межах. Наприклад, в чистому залізі Н з = 1 е , в сплаві магнико Н з = 580 е. На петлю магнітного Р. сильно впливає обробка матеріалу, при якій змінюється число дефектів ( мал. 2 ).

  Площа петлі магнітного Р. дорівнює енергії, що втрачається в зразку за один цикл зміни поля. Ця енергія йде, кінець кінцем, на нагрівання зразка. Такі втрати енергії називаються гістерезисними. У тих випадках, коли втрати на Р. небажані (наприклад, в сердечниках трансформаторів, в статорах і роторах електричних машин), застосовують магнітномягкие матеріали, що володіють малим Н з і малою площею петлі Г. Для виготовлення постійних магнітів, навпаки, потрібні магнітножесткие матеріали з великим Н з .

  Із зростанням частоти змінного магнітного поля (числа циклів перемагнічування в одиницю часу) до гістерезисних втрат додаються ін. втрати, пов'язані з вихровими струмами і магнітною в'язкістю . Відповідно площу петли Р. при високих частотах збільшується. Таку петлю інколи називають динамічною петлею, на відміну від описаної вище статичної петлі.

  Від магнітного моменту залежать багато ін. властивості феромагнетика, наприклад електричний опір, механічна деформація. Зміну магнітного моменту викликає зміна і цих властивостей. Відповідно спостерігається, наприклад, гальваномагнітний Р., магнітострикційний Р.

  Діелектричний Р. спостерігається зазвичай в сегнетоелектріках, наприклад титанаті барії. Залежність поляризації Р від напруженості електричного поля Е в сегнетоелектріках ( мал. 3 ) подібна до залежності М-коду від Н у феромагнетиках і пояснюється наявністю спонтанної електричної поляризації, електричних доменів і трудністю перебудови доменної структури. Гістерезисні втрати складають велику частину діелектричних втрат в сегнетоелектріках.

  Оскільки з поляризацією пов'язані ін. характеристики сегнетоелектріков, наприклад деформація, то з діелектричним Р. зв'язані ін. види Р., наприклад п'єзоелектричний Р. ( мал. 4 ), Р. електрооптичного ефекту . В деяких випадках спостерігаються подвійні петлі діелектричного Р. ( мал. 5 ). Це пояснюється тим, що під впливом електричного поля в зразку відбувається фазовий перехід з перебудовою кристалічної структури. Такого роду діелектричний Р. тісно пов'язаний з Р. при фазових переходах.

  Пружний Р., тобто гістерезисна залежність деформації і від механічної напруги s , спостерігається в будь-яких реальних матеріалах при чималій напрузі ( мал. 6 ). Пружний Р. виникає всякий раз, коли має місце пластична (непружна) деформація (див. Пластичність ). Пластична деформація обумовлена переміщенням дефектів, наприклад дислокацій, завжди присутніх в реальних матеріалах. Домішки, включення і ін. дефекти, а також сама кристалічна решітка прагнуть утримати дислокацію в певних положеннях в кристалі. Тому потрібна напруга достатньої величини, щоб зрушити дислокацію. Механічна обробка і введення домішок приводять до закріпленню дислокацій, внаслідок чого відбувається зміцнення матеріалу, пластична деформація і пружний Р. спостерігаються при великій напрузі. Енергія, що втрачається в зразку за один цикл, йде кінець кінцем на нагрівання зразка. Втрати на пружний Р. дають вклад в внутрішнє тертя . В разі пружних деформацій, окрім гістерезисних, є і ін. втрати, наприклад обумовлені в'язкістю . Величина цих втрат, на відміну від гістерезисних, залежить від частоти зміни s (або і ). Інколи поняття «Пружний Г.» уживається ширше — говорять про динамічну петлю пружного Р., що включає всі втрати на даній частоті.

  Літ.: Киренський Л. Ст, Магнетизм, 2 видавництва, М., 1967; Вонсовський С. Ст, Сучасне вчення про магнетизм, М. — Л., 1952; Бозорт Р., Феромагнетизм, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1956; Іона Ф., Ширане Д., Сегнетоелектрічеськие кристали, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1965; Пісникують Ст С., Внутрішнє тертя в металах, М., 1969; Фізичний енциклопедичний словник, т. 1, М., 1960.

  А. П. Льованюк, Д. Р. Санников.

Мал. 2. Вплив механічної і термічної обробки на форму петлі магнітного гістерезису пермалоя: 1 — після наклепання; 2 — після відпалу; 3 — крива м'якого заліза (для порівняння).

Мал. 5. Подвійна петля діелектричного гістерезису.

Мал. 6. Петля пружного гістерезису: s — механічна напруга; u — деформація.

Мал. 1. Петливши магнітного гістерезису для феромагнетика: Н — напруженість магнітного поля; М-код — магнітний момент зразка; Н з — коерцитівноє поле; M r — залишковий магнітний момент; M s — магнітний момент насичення. Пунктиром показана негранична петля гістерезису. Схематично приведена доменна структура зразка для деяких точок петлі.

Мал. 3. Петля діелектричного гістерезису в сегнетоелектріке: Р — поляризація зразка; Е — напруженість електричного поля.

Мал. 4. Петля гістерезису зворотного п'єзоелектричного ефекту в титанаті барії: U — деформація: Е — напруженість електричного поля.