Гистерезис - удивительное физическое явление, когда система запаздывает в ответ на внешнее воздействие. Это похоже на инерцию, но гораздо интереснее. Гистерезис есть везде: в ферромагнетиках, сегнетоэлектриках, механических системах. Давайте разберемся, что такое гистерезис, откуда берется эта запоздалая реакция и почему она бывает полезна.
Что такое гистерезис простыми словами
Гистерезис - это отставание отклика системы на внешнее воздействие. Например, если мы приложим магнитное поле к ферромагнетику, то его намагниченность будет меняться не мгновенно, а с некоторым запаздыванием.
Причина гистерезиса в том, что любая система имеет некоторую инерцию . Чтобы изменить ее состояние, нужно время. Но гистерезис - это не просто инерция.
Главное отличие в том, что одному и тому же значению внешнего воздействия будут соответствовать разные состояния системы в зависимости от того, как мы до этого воздействия дошли. То есть система "помнит" свою предысторию.
Магнитный гистерезис и его причины
Яркий пример гистерезиса - поведение ферромагнетиков в магнитном поле. Давайте посмотрим, откуда берется магнитный гистерезис .
Ферромагнетики, в отличие от парамагнетиков, обладают спонтанной намагниченностью. Но эта намагниченность неоднородна - ферромагнетик разбит на магнитные домены разных ориентаций.
Гистерезис наблюдается в тех случаях, когда состояние тела в данный момент времени определяется внешними условиями не только в тот же, но и в предшествующие моменты времени.
Под действием внешнего магнитного поля домены выстраиваются по полю, их границы смещаются. Но этот процесс затруднен из-за дефектов в кристаллической решетке.
Петля гистерезиса на графиках
На графиках зависимости намагниченности ферромагнетика от приложенного поля эта инерционность проявляется как петля гистерезиса (см. рисунок).
Причем площадь петли пропорциональна гистерезисным потерям - теплу, выделяющемуся за цикл перемагничивания. Эти потери нежелательны в трансформаторах и электрических машинах. Но для постоянных магнитов, наоборот, нужен большой гистерезис.
Гистерезис в электротехнике
Аналог магнитного гистерезиса есть и в диэлектриках. В сегнетоэлектриках типа титаната бария при переключении электрического поля тоже возникает гистерезис поляризации.
Это явление называют сегнетоэлектрическим гистерезисом . Причины те же - запинание доменных границ из-за дефектов решетки. И тоже возникают потери на переполяризацию, как в перемагничивании ферромагнетиков.
Еще один тип гистерезиса в электротехнике - тепловой . После нагрева и последующего охлаждения характеристики полупроводниковых приборов не возвращаются к начальным значениям. Причина - механические напряжения в кристалле из-за теплового расширения.
Сегнетоэлектрический гистерезис
Диэлектрический гистерезис наблюдается и в других материалах, помимо сегнетоэлектриков. Например, в некоторых жидких кристаллах при фазовых переходах возникает двойная петля гистерезиса на кривой поляризации.
Это связано с перестройкой кристаллической решетки под действием электрического поля. Скачкообразный фазовый переход тоже вносит гистерезис в поведение системы.
Механический гистерезис и упругость
Ярко выражен гистерезис и в механических свойствах твердых тел. Например, в зависимости деформации упругих материалов от приложенного механического напряжения.
При больших напряжениях возникает пластическая деформация, обусловленная движением дислокаций в кристаллической решетке. Препятствия для движения дислокаций и создают упругий гистерезис .
Полезное и вредное в явлении гистерезиса
Итак, гистерезис возникает в самых разных системах при "раскачивании" их сильным внешним воздействием. Это явление может быть и полезным, и вредным в зависимости от применения.
- Плюсы гистерезиса: Основа для работы постоянных магнитов Повышение механической прочности Фильтрация помех в электронных схемах
- Минусы: Нагрев ферромагнетиков в переменном поле Потери в диэлектриках при переполяризации Ускоренный износ деталей машин
Гистерезис вокруг нас и внутри нас
Явление гистерезиса проявляется далеко за пределами физики и материаловедения.
Например, в экономике существует гистерезис безработицы. Когда уровень безработицы высок, он имеет тенденцию сохраняться.
В общественном сознании тоже есть инерционность. Людям требуется время, чтобы изменить свое мнение и поведение под влиянием новых идей.
Кривая гистерезиса как индикатор инерции системы
Итак, мы разобрались, что такое гистерезис на примерах из физики, техники и общественной жизни. Это инерционность системы, запаздывание реакции на внешние воздействия.
Важный признак гистерезиса - петля гистерезиса на графиках зависимости состояния системы от внешних условий. По форме этой петли можно судить о внутренних механизмах, вызывающих инерцию.
Применение гистерезиса
Знания о гистерезисе широко применяются на практике. Например, гистерезисные потери в электротехнике стараются минимизировать выбором материалов с узкой петлей гистерезиса.
А вот для изготовления постоянных магнитов, наоборот, используют ферромагнетики с широкой петлей - магнитно-твердые материалы. Благодаря гистерезису магниты долго удерживают остаточную намагниченность.
Учет гистерезиса в расчетах
Для математического моделирования различных систем с гистерезисом была разработана строгая теория.
Она описывает гистерезисные преобразователи как операторы, зависящие от предыстории процесса. Это позволяет более точно предсказывать поведение таких систем.
Борьба с гистерезисом
Иногда гистерезис мешает работе устройств. Например, в высокоточных измерительных приборах и эталонах нежелателен тепловой гистерезис - сдвиг характеристик от нагрева и охлаждения.
Чтобы минимизировать тепловой гистерезис в микросхемах, подбирают материалы с близкими температурными коэффициентами расширения. А сами кристаллы делают тоньше, чтобы уменьшить механические напряжения.
Альтернативные объяснения
Иногда явления, похожие на гистерезис, на самом деле имеют другую природу. Например, гистерезис в экономических системах может отражать существование нескольких устойчивых состояний равновесия.
Переход из одного равновесия в другое требует значительных усилий. Но сами состояния равновесия не являются инерционными - они устойчивы даже при малых возмущениях.
Перспективы изучения
Несмотря на многолетнее изучение, гистерезис до конца не понят. Остается много открытых вопросов о микроскопических механизмах этого явления в различных системах.
Дальнейшие исследования помогут не только продвинуть фундаментальную науку, но и улучшить характеристики материалов и устройств за счет более тонкого управления гистерезисом.
