Определение понятия гистерезиса: особенности, применения в котлах
Определение понятия гистерезиса: особенности, применения в котлах
Гистерезис — сложное понятие, обозначающее процессы, происходящие в системах и веществах, способных накапливать различные виды энергии, возрастающие с иной скоростью и интенсивностью, чем кривая их убывания при прекращении воздействия. В переводе с греческого понятие гистерезис переводится как запаздывание, поэтому под ним следует понимать задержку одного процесса относительно другого. В этом случае эффект гистерезиса совершенно не нужен и является лишь характеристикой магнитной среды.
ВКонтакте Facebook Twitter Google+ Контент Minecraft:
Это свойство также встречается во многих других системах и средах:
- гидравлическая система;
- кинезиология;
- электронные продукты;
- биология;
- экономика.
Особенно часто это понятие используется при регулировании температурного режима в системах отопления.
Особенности физического явления
Особое внимание мы уделим явлениям гистерезиса в электронной технике применительно к магнитным процессам в различных веществах. Он показывает, как тот или иной материал ведет себя в электромагнитном поле, позволяя построить графики зависимостей и получить некоторые показания о среде, в которой существуют эти самые материалы. Этот эффект используется, например, в работе термостатов.
Рассматривая понятие гистерезиса и связанные с ним эффекты более подробно, можно заметить такие характеристики. Вещества, обладающие этим свойством, способны становиться насыщенными. Другими словами, это состояние, при котором он уже не способен накапливать энергию самостоятельно. При рассмотрении процесса на примере ферромагнетиков энергию представляют намагниченностью, которая возникает благодаря магнитным связям, существующим между молекулами вещества. Они создают магнитные моменты – диполи. В нормальных условиях направление магнитных моментов хаотично.
В данном случае намагниченность — это магнитный момент, принимающий определенное направление. Если их ориентация перепутана, говорят, что ферромагнетики размагничены. Но когда диполь направлен в одном направлении, материал намагничивается. О величине магнитного поля, создаваемого током, протекающим через катушку, можно судить по степени намагничивания сердечника катушки.
Умельцам будет интересна эта статья о том, как подключить ходовые огни самостоятельно.
Физический процесс при гистерезисе
Чтобы детально понять процесс гистерезиса, необходимо углубиться в следующие понятия:
- Магнитное поле — это среда, создаваемая линиями магнитной индукции, образуемыми током, протекающим через проводник, или линиями магнитной индукции, создаваемыми строго ориентированными магнитными моментами в постоянном магните.
- Вектор магнитной индукции — это величина, которая представляет направление распространения магнитного поля и обозначается заглавной буквой B.
- Намагниченность — это состояние вещества, в котором сохраняются направленные магнитные диполи. В физике и электротехнике он обозначается буквой М.
- Напряженность магнитного поля — это величина, характеризующая разницу между B и M, обозначаемую буквой N.
Что касается материала с наиболее очевидным эффектом гистерезиса, то это ферромагнетик. Это смесь химических элементов, способных намагничиваться за счет направленности магнитных диполей, поэтому в ее состав часто входят такие металлы, как:
- железо;
- кобальт;
- никель;
- соединения на их основе.
Чтобы увидеть гистерезис, необходимо подать переменное напряжение на катушку с ферромагнитным сердечником. При этом диаграмма намагничивания не сильно зависит от его размеров, так как ее влияние напрямую зависит от свойств самого материала и величины магнитных связей между элементами материала.
Читайте также статью: Виды наращивания ресниц: выбор способа, длины и эффекта с фотопримерами
Основным моментом при рассмотрении концепции гистерезиса в электронике является интенсивность магнитной индукции B, создаваемой вокруг катушки при приложении напряжения. Она определяется по стандартной формуле как произведение магнитной проницаемости вещества на сумму напряженности поля и намагниченности.
Чтобы понять общие принципы эффектов гистерезиса, необходима диаграмма. На нем показана петля намагничивания, начиная с полностью размагниченного состояния. Эту область можно указать с помощью цифр 0–1. При наличии достаточного напряжения на материале и воздействии магнитного поля в течение достаточной продолжительности график достигает крайней точки по указанной траектории. Процесс протекает не по прямым линиям, а по кривым определенной кривизны, характеризующим свойства материала. Чем больше магнитных связей между молекулами в веществе, тем быстрее оно достигает насыщения.
При снятии напряжения с катушки напряженность магнитного поля падает до нуля. Это область на рисунке 1-2. При этом материал остается намагниченным за счет направления магнитного момента. Но интенсивность намагничивания несколько ниже состояния насыщения. Если этот эффект наблюдается в веществе, то это ферромагнетик, способный накапливать магнитное поле за счет сильных магнитных связей между молекулами вещества.
При изменении полярности напряжения, подаваемого на катушку, процесс размагничивания продолжается по той же кривой до насыщения. Только в этом случае магнитный момент диполя будет направлен в противоположном направлении. Этот процесс периодически повторяется при изменении частоты сети, описывая закономерность, называемую петлей гистерезиса.
При многократном намагничивании ферромагнетика до меньшей интенсивности, чем при насыщении, можно получить серию кривых, из которых можно построить общую диаграмму, характеризующую состояние вещества от полностью размагниченного до полностью намагниченного.
Гистерезис в разных материалах
Гистерезис — сложное понятие, характеризующее способность вещества накапливать энергию магнитного поля или другие величины за счет магнитных связей, существующих между молекулами вещества или рабочих характеристик системы. Но не только сплавы железа, кобальта и никеля могут производить такой эффект. Если титанат бария поместить в поле определенной интенсивности, результаты будут несколько иными.
Видео: Настройка Гистерезиса на терморегуляторе. Оптимальная работа электро котла.
Поскольку это сегнетоэлектрик, в нем можно наблюдать диэлектрический гистерезис. Когда полярность приложенного к среде напряжения противоположна, образуется обратная петля гистерезиса, а величина противоположного магнитного поля, действующего на материал, называется коэрцитивной силой.
При этом напряженность поля может предшествовать различной напряженности, что связано со свойствами реального состояния диполя — магнитного момента после предыдущего намагничивания. На процесс также влияют различные примеси, содержащиеся в материале. Чем их больше, тем сложнее сдвинуть стенки диполя, поэтому остается то, что называется остаточной намагниченностью.
Что влияет на петлю гистерезиса?
Гистерезис, по-видимому, является скорее внутренним эффектом, который не виден на поверхности материала, но он во многом зависит не только от типа самого материала, но и от качества и типа его обработки. Например, железо входит в насыщение при напряжении 1 Э, а сплав Магнико достигает критической точки только при 580 Э. Чем больше дефектов на поверхности материала, тем большая напряженность магнитного поля необходима для доведения его до насыщения.
В результате намагничивания и размагничивания в материале выделяется тепловая энергия, равная площади петли гистерезиса. Кроме того, к потерям в ферромагнетиках относятся эффекты вихревых токов и магнитной вязкости вещества. Обычно это наблюдается при изменении частоты магнитного поля в большую сторону.
По поведенческим свойствам ферромагнетиков в магнитнополевых средах различают статический гистерезис и динамический гистерезис. Первый наблюдается при номинальной частоте напряжения, но по мере ее увеличения площадь диаграммы направленности увеличивается, что также приводит к увеличению потерь.
Другие свойства
Помимо гистерезиса, можно также различать гальванометрический и магнитострикционный эффекты. Во время этих процессов можно наблюдать изменения электрического сопротивления вследствие механической деформации материала. Сегнетоэлектрики способны генерировать электрический ток под действием сил деформации, что можно объяснить явлением пьезоэлектрического гистерезиса. Существуют также концепции электрооптического и двухсредового гистерезиса. Последний процесс обычно представляет наибольший интерес, поскольку сопровождается появлением биграфика в области, близкой к точке насыщения.
Гистерезис в отоплении
Определение гистерезиса применимо не только к ферромагнетикам, используемым в электронике. Этот процесс может происходить и в термодинамике. Например, при использовании газового или электрического котла для отопления. Регулирующим элементом в системе является термостат. Но единственной контролируемой переменной является температура воды в системе.
Когда температура падает до заданного уровня, котел включается и начинает нагрев до заданного значения. Затем он отключается и повторяет процесс. Если снимать показания температуры по мере нагрева и остывания системы каждый раз при включении и выключении цикла отопления, то вы получите график в виде петли гистерезиса, называемый гистерезисом котла.
В таких системах гистерезис выражается через температуру. Например, если температура составляет 4°C, а температура теплоносителя установлена на 18°C, котел отключится, когда она достигнет 22°C. Поэтому вы можете установить любую приемлемую температуру в помещении. По сути, термостат — это датчик температуры или термостат, который включает или выключает нагрев при достижении нижнего и верхнего порогов соответственно.
Читайте также статью: Важные критерии для профессионального ремонта электродвигателей