Гистерезис

Гистерезис — это явление запаздывания реакции материала на внешнее воздействие. В физике материалов он чаще всего проявляется в магнитных, электрических и механических системах. Ключевая особенность гистерезиса заключается в том, что состояние системы зависит не только от текущей величины воздействия, но и от её предшествующей истории.

В магнитных материалах гистерезис описывает зависимость намагниченности M от внешнего магнитного поля H. В электрических диэлектриках аналогично изучается зависимость поляризации P от приложенного электрического поля E.

Магнитный гистерезис

Цикл гистерезиса

Цикл гистерезиса — это замкнутая кривая M(H), возникающая при циклическом изменении внешнего магнитного поля. Он характеризуется несколькими ключевыми точками:

  • Насыщение (Ms) — максимальное значение намагниченности, достигаемое при сильном поле.
  • Коэрцитивная сила (Hc) — значение поля, при котором намагниченность становится равной нулю при убывающем внешнем поле.
  • Остаточная намагниченность (Mr) — величина намагниченности после снятия внешнего поля.

Физическая природа: гистерезис возникает из-за сопротивления перемещению магнитных доменов, энергетических барьеров, связанных с дефектами кристаллической решётки, и взаимодействий спинов внутри материала.

Потери на гистерезис

В ферромагнитных материалах цикл гистерезиса сопровождается потерями энергии на нагрев. Энергия потерь на один цикл пропорциональна площади кривой гистерезиса:

W = ∮H dM

Эти потери критически важны при проектировании трансформаторов, магнитных сердечников и устройств с переменным магнитным полем.

Электрический гистерезис

Электрический гистерезис проявляется в ферроэлектриках, где поляризация материала P зависит от приложенного электрического поля E с задержкой, аналогично магнитному гистерезису.

  • Насыщенная поляризация (Ps) — максимальная поляризация, достигаемая при высоком поле.
  • Коэрцитивное напряжение (Ec) — напряжение, при котором поляризация обращается в ноль.
  • Остаточная поляризация (Pr) — поляризация после снятия внешнего поля.

Электрический гистерезис широко используется в энергонезависимой памяти (FeRAM) и датчиках.

Механический гистерезис

Механический гистерезис встречается в упругих материалах и полимерах при циклической деформации. Зависимость напряжения σ от деформации ε также образует замкнутую кривую, площадь которой соответствует потерям энергии на внутреннее трение и вязкоупругие эффекты.

Факторы, влияющие на гистерезис

  1. Структурные дефекты — дислокации, вакансии, границы зерен.
  2. Температура — с ростом температуры циклы гистерезиса уменьшаются, достигая критической температуры (например, температура Кюри для ферромагнетиков).
  3. Скорость изменения внешнего поля — при высоких скоростях материал не успевает полностью реагировать, что приводит к дополнительным потерям энергии.
  4. Микроструктура — размеры и ориентация доменов, фазовые включения и текстура материала.

Практическое значение

Гистерезис играет ключевую роль в:

  • Магнитной записи и хранении информации — магнитные носители используют остаточную намагниченность для хранения битов.
  • Энергетике — трансформаторы и электродвигатели проектируются с учётом потерь на гистерезис.
  • Сенсорике и актуаторах — ферроэлектрики и пьезоэлектрики используют электрический и механический гистерезис для накопления энергии и управления.
Оглавление