Как влияют длина и диаметр поперечного сечения образца на ширину петли гистерезиса

lab_mech9to18 / (№1-15)

1. Савельев И . В . Курс общей физики : в 5- ти кн ., кн .1: Учебное пособие для ВТУЗов , М .:

АСТ Астрель , 2005 г . – 336., С . 69-73.

2. Бернштейн М . Л ., Займовский В . А . Структура и механические свойства металлов . М .: « Металлургия », 1970 г ., -473 с ., С . 264-272.

3. Капуткин Д . Е ., Шустиков А . Г . Физика . Обработка результатов измерений при

выполнении лабораторных работ . Учебное пособие . М .: МИСиС . 2007. — 107 с .

1. Какие основные причины проявления механического гистерезиса в металлических образцах ?

2. Какая деформация является сдвиговой и в каких видах нагружения может быть количественно достаточно точно оценена ?

3. Какие основные параметры фиксируются при проведении опыта на кручение данных образцов ?

4. Что называется релаксацией в опыте на кручение ?

5. Какие основные показатели в ходе опыта являются наиболее важными для оценки склонности металлов к механическому гистерезису ?

6. Как влияют длина и диаметр поперечного сечения образца на ширину петли гистерезиса ?

1. Провести измерения усилия F и угла закручивания j для медного образца № 1.

2. Вычислить момент силы M и построить кривые гистерезиса М ( j ) и τ (γ ) .

3. Сформулировать закон Гука для деформации кручения . Пояснить физический смысл модуля сдвига .

1. Провести измерения усилия F и угла закручивания j для медного образца № 2.

2. Вычислить момент силы M и построить кривые гистерезиса M (ϕ) и τ (γ ) .

3. Объяснить механизм появления механического гистерезиса .

1. Провести измерения усилия F и угла закручивания ϕ для медного образца № 3.

2. Вычислить момент силы M и построить кривые гистерезиса M (ϕ) и τ (γ ) . Вычислить погрешность определения максимального напряжения .

3. Объяснить появление нормальных и касательных напряжений при кручении и их роль в процессах упругой деформации .

1. Провести измерения усилия F и угла закручивания ϕ для образца № 4 из меди .

2. Вычислить момент силы M и построить кривые гистерезиса М (ϕ) и τ (γ ) .

3. Объяснить сущность обратимых и необратимых деформаций и как они проявляются в кривых механического гистерезиса .

Что такое петля гистерезиса простыми словами

Чтобы обозначить запоздалые, замедленные процессы, используется специальный термин — гистерезис. Если говорить простыми словами, то так называют запоздалую реакцию некой системы на определенные раздражающие факторы. Чтобы понять, что это такое, как проявляется, какими параметрами характеризуется, стоит рассмотреть основные особенности и свойства гистерезиса.

Суть гистерезиса

Гистерезис — особое свойство биологических, физических и других систем, в которых мгновенный отклик на действия зависит от их состояния на текущий момент, а на временных интервалах состояние и поведение системы определяется ее предысторией.

Под петлей гистерезиса понимается график, который демонстрирует данное свойство.

Если на графике выявляется остроугольная петля, то это обычно связывается с неодинаковостью траекторий между соседними расстояниями, а также это является эффектом «насыщенности».

Данная физическая величина может наблюдаться в разных веществах и процессах. Но все же наиболее часто рассматриваются варианты диэлектрического, магнитного, упругого гистерезиса. Магнитный гистерезис обычно возникает в материалах, именуемых ферромагнетиками. Главная их особенность заключается в самопроизвольной или спонтанной неоднородной намагниченности.

Характеристика петли

При проведении расчетов, определении степени воздействия на конкретную систему применяется петля гистерезиса. Ее представляют в виде графика, на который накладывается кривая, отражающая первоначальное состояние исследуемой системы, ход ее ответной реакции на пробуждение.

Свойства эффекта гистерезиса могут быть как полезными, так и отрицательными. Данное явление учитывается в таких сферах, как экономика, физика и даже социология. Наиболее часто гистерезис наблюдается в физике. В этой области он применяется для проведения расчетов разных величин, взаимодействующих сил, мощностей, магнитных полей. Выделяют наиболее распространенные варианты гистерезиса:

• Магнитный.
• Упругий.
• Сегнетоэлектрический.

Магнитный

Наиболее часто используется понятие магнитного гистерезиса в электротехнике. В данной сфере применяются компоненты с качеством намагничивания/размагничивания. На разных трансформаторах и катушках индуктивности предусмотрены сердечники из ферромагнитных материалов. И именно от свойств материала, используемого для сердечника, зависит сила магнитного поля.

Для изучения воздействия разных по качествам материалов сердечников применяются ферромагнитные петли гистерезиса. Кроме того, использование петель позволяет рассмотреть, как внутренняя магнитная индукция зависит от внешнего магнитного поля.

Во время протекания переменного электротока через катушку происходит формирование эффекта отстаивания намагничивания. Дело в том, что после размыкания электроцепи ферромагнитный сердечник не размагничивается до конца, он может сохранять часть намагничивания в соответствии с ориентацией полюса.

Чтобы полярность сердечника изменилась, его требуется перемагнитить. Для этого следует поменять направленность электротока, а также нужно преодолеть коэрцитивное воздействие, потратив немного больше энергии. В результате возникнет нагревание сердечника. Потери энергии при нагревании называют гистерезисными. Поэтому у ферромагнетиков прямоугольная и широкая петля гистерезиса.

С увеличением количества циклов перемагничивания к гистерезисным потерям добавляются и те, которые связаны с вихревыми электротоками. Наличие высоких частот способствует тому, что петля гистерезиса приобретает увеличенную площадь и получает из-за этого название динамическая петля магнитного гистерезиса.

Гистерезисная петля может иметь разную площадь в зависимости от свойств материала и частоты перемагничивания. По ней определяются такие параметры магнитных материалов, как индукция насыщения, остаточная индукция, коэрцитивная сила. Последней называют напряженность магнитного поля, при которой индукция становится нулевой.

Выделяют следующие виды ферромагнетиков:

• Магнитомягкие. Данные варианты сердечников обычно встречаются в трансформаторах, дросселях. У многих из них наблюдается ППГ — прямоугольная петля гистерезиса.
• Магнитотвердые. Их используют для компонентов памяти или магнитов. Магнитотвердым материалам свойственна более широкая петля на графике магнитного гистерезиса. Также они приводят к большим гистерезисным потерям, нагреваясь во время перемагничивания.

Упругий

Явление гистерезиса наблюдается у разных металлов. И это все можно объяснить с помощью простого эксперимента. Стержень с металлической основой устанавливается на опоре на один свой конец. В данный момент металл пребывает в спокойном состоянии, но одновременно с этим он обладает собственной деформационной упругостью. К свободному концу прикладывается давление, например, при использовании пресса.

При нарастании давления в металле начнут проявляться определенные качества:

1. Наблюдается первичное увеличение силы упругости.
2. Повышение упругости до наибольших значений.
3. Уменьшение силы противодействия при повышении максимальных параметров упругости.

Дальнейшее увеличение давления способно привести к деформациям или даже разрушению стержня. Если его прервать, то это может вызвать резкое повышение динамического напряжения или общее снижение нагрузки. После снятия нагрузки стержень приобретет свои первоначальные характеристики.

Упругий гистерезис бывает следующих видов:

• Статический. Этот тип обычно проявляется у вязкоупругого и неупругого деформирования. Но важно учитывать, что при данных видах деформации нельзя в полной мере восстановить параметры упругости.
• Динамичный. При данном виде гистерезиса не получится достичь предельной упругости, даже если воздействие обладает циклическим характером.
• Упругий. Этот гистерезис и его петля сильно зависят от состава исходного элемента и способности микрочастиц изменять свое положение при изменении давления или нагрузки.

Сегнетоэлектрический

Такой тип гистерезиса присущ материалам-диэлектрикам. У них отсутствуют свободные заряды. Их электроны связаны с атомами, они не могут перемещаться.

При влиянии на диэлектрик магнитного поля с высокой силой происходит поляризация его зарядов, а также наблюдается изменение ориентации на противоположную. Чем выше напряженность поля, тем больше будет вектор поляризации. Его рост происходит в нелинейном порядке. У диэлектрика наблюдается предел поляризации, после его достижения проявляется гистерезис сегнетоэлектрического вида.

На показатель поляризации оказывает влияние увеличение температуры сегнетоэлектрика. После достижения определенных показателей температуры возникает самопроизвольная или неконтролируемая поляризация. Иногда наблюдаются даже двойные гистерезисные петли. Это связано с тем, что фазовый переход у сегнетоэлектрика под влиянием электрополя происходит с перестройкой кристаллической структуры.

Гистерезис считается важным физическим явлением. Его используют для увеличения параметров разных проводников, сердечников, а также для создания более совершенных электротехнических элементов. А вот на трансформаторах и дросселях может отрицательно сказываться эффект гистерезиса. Поэтому для них рекомендуется применять материалы, которые практически не зависят от сторонних воздействий.

От каких факторов зависит площадь петли гистерезиса. Гистерезис для инженеров

Для обозначения запаздывающих процессов применяют специальное название гистерезис что это такое в электротехнике можно понять после изучения представленных ниже сведений. В общем определении подразумевается наличие определенной задержки на внешнее воздействие. Изменение системы зависит от ее предыдущего состояния. Данное явление отличается от инерционности нелинейностью рабочих характеристик.

Петля гистерезиса демонстрирует изменение намагниченности образца из ферромагнитного материала

Общие понятия гистерезиса

Основные определения процесса поясняют следующие практические примеры. Что такое гистерезис в экономике? При рассмотрении данной сферы деятельности можно изучить стандартную организацию экспорта товаров. Для освоения новой территории необходимо выполнить несколько действий:

• изучить потенциальный интерес к определенной продукции с помощью исследования рынка;
• проверить наличие конкурентных предложений;
• создать дилерскую сеть (продажа и техническое обслуживание);
• обеспечить первичную поставку;
• провести рекламную кампанию.

На первоначальном этапе придется приложить достаточно большие усилия. Далее хорошо налаженный торговый механизм будет приносить прибыль в рабочем режиме. На этой стадии большее значение приобретают менее затратные контрольные функции. Если бизнес нужно будет перенести в другой регион, процесс повторяется аналогичным образом с определенной временной задержкой. Приведенный выше график наглядно демонстрирует изменение экономических параметров на примере физических величин.

Суть явления

Термин «гистерезис» ввел шотландский физик и инженер сэр Джеймс Альфред Юинг (1855-1935)[2]Wikipedia. Юинг, Джеймс Альфред., который использовал его для обозначения систем, организмов и полей, обладающих памятью. Другими словами, в которых отклик на некое воздействие происходит с запаздыванием или задержкой. В качестве примера можно взять железо: оно сохраняет намагниченность даже после того, как будет удалено из магнитного поля, действию которого подверглось. Название «гистерезис» происходит от греческого слова, означающего «отставание», «запаздывание».

В экономике гистерезис возникает, когда некое однократное возмущение влияет на систему в целом. Конкретные причины гистерезиса могут различаться в зависимости от события, которое его спровоцировало. Однако, болезненное состояние рынка сохраняется чаще всего потому, что первопричина изменила настрой его участников. Например, после обвала рынка многие инвесторы, которые понесли потери, неохотно реинвестируют имеющиеся у них наличные деньги. Низкие цены на бирже держатся дольше именно из-за такой неготовности, а не из-за базовых рыночных факторов.

Вещества и их магнитные свойства

Образцы, изготовленные из разных материалов, особым образом реагируют на воздействие магнитного поля. Основные различия определяются магнитной проницаемостью (μ). Это коэффициент (множитель), показывающий разницу векторного значения индукции (B) в этом веществе, по сравнению с вакуумом (B0):

• диамагнетики (μ≤1) – медь, вода, водород;
• парамегнетики (μ≥1) – эбонит, кислород, платина;
• ферромагнетики (μ значительно больше 1) – кобальт, никель, железо.

Последняя группа отличается магнетизмом, который сохраняется после удаления внешнего воздействия.

К сведению. При нагреве ферромагнетика на определенном уровне (точка Кюри) магнитные свойства пропадают. Для железа этот показатель составляет +770°C.

Намагниченность (М) можно определить, как разницу между индукциями (B-B0), либо выразить через проницаемость следующей формулой:

М = μ* B0 — B0 = (μ-1)*B0.

Особенности физического явления

Мы же остановимся именно на гистерезисе в электронной технике, связанным с магнитными процессами в различных веществах. Он показывает, как себя ведет тот или другой материал в электромагнитном поле, а это тем самым позволяет строить графики зависимости и снимать какие-то показания сред, в которых находятся эти самые материалы. Например, этот эффект используется в работе терморегулятора.

Рассматривая более подробно понятие гистерезиса и эффект с ним связанный, можно заметить такую особенность. Вещество, обладающее такой особенностью, способно переходить в насыщение. То есть, это то состояние, при котором оно больше не способно накапливать в себе энергию. А при рассмотрении процесса на примере ферромагнитных материалов энергия выражается намагниченностью, которая возникает благодаря имеющейся магнитной связи между молекулами вещества. А они создают магнитные моменты – диполи, которые в обычном состоянии направлены хаотически.

Намагниченность в данном случае – это принятие магнитными моментами определенного направления. Если же они направлены хаотически, то ферромагнетик считается размагниченным. Но когда диполи направлены в одну сторону, то материал намагничен. По степени намагниченности сердечника катушки можно судить о величине магнитного поля, создаваемого током, протекающим по ней.

Мастерам на все руки будет интересна статья о том, как самостоятельно подключить ходовые огни.

Виды гистерезиса в физике

Что является источником магнитного поля

Для решения практических электротехнических задач следует изучить подробно магнитный гистерезис. Полное представление об аналогичных явлениях на основе физических принципов можно получить после рассмотрения сегнетоэлектрических и упругих процессов.

Магнитный гистерезис

В соответствии с базовым определением, это явление обозначает отставание намагниченности (М) материала от изменяющегося воздействия внешнего поля. Для эксперимента можно собрать схему, в которой ток пропускают через соленоид. Регулируют уровень напряженности (Н) с помощью параллельного переменного резистора. Сердечник – из ферромагнетика.

Схема экспериментальной установки

Важно! Представленные зависимости следует рассматривать в комплексе с графиком на первом рисунке.

До начала эксперимента образец обладает нейтральными характеристиками. Намагниченность и напряженность равны нулю, магнитные моменты доменов расположены хаотически. После замыкания цепи и увеличения силы тока увеличивается напряженность. На рисунке показано, как одновременно с этим изменяется направленность моментов. Индукция в образце (B) равна сумме напряженности и намагниченности с корректирующим множителем (μ0):

На определенном уровне показатель μ0*M увеличивается до предельного значения. Последующее изменение напряженности внешнего поля не оказывает на него никакого влияния.

Сегнетоэлектрический гистерезис

Причина особой формы графика в этом примере – образование поляризации без приложения сил внешнего поля. Такой эффект наблюдается в определенном температурном диапазоне. Соответствующие материалы называют сегнетоэлектриками.

Сегнетоэлектрики

На первом рисунке показана петля гистерезиса, где отмечены места:

• точкой «а» – состояние насыщения;
• Pc – остаточная поляризованность;
• -Ec– коэрцитивная сила.

На второй части (2) изображено хаотичное (а) и направленное (б) расположение доменов. Ориентацию вдоль линий электростатического поля применяют для создания конденсаторов с изменяемой емкостью.

К сведению. Как и в других веществах, при повышении температуры до уровня точки Кюри намагниченность пропадает.

Упругий гистерезис

Это явление объясняется особыми механическими свойствами отдельных материалов. Они сохраняют созданную достаточно сильным ударным воздействием форму. Типичный пример – изготовление изделий из металла с применением ковки.

Основные понятия

Магнитное поле

– это одна из составляющих электромагнитного поля, характеризующаяся своим силовым действием на движущиеся заряженные частицы.

Вектор магнитной индукции B

– это основная силовая величина магнитного поля.

Намагниченность M

– это величина, которая характеризует магнитное состояние вещества.

Напряженность магнитного поля

– это характеристика магнитного поля, которая равна разности магнитной индукции и намагниченности.

Ферромагнитный материал

– это материал, намагниченность которого зависит от напряженности внешнего магнитного поля.

Допустим, мы имеем катушку, внутри которой имеется сердечник из ферромагнитного материала. Обычно такой сердечник состоит из железа, никеля, кобальта и различных соединений на их основе. Если подключить её к источнику переменного тока , то вокруг катушки образуется магнитное поле, которое будет изменяться по закону

График зависимости B (H)

Участок 0-1 называется кривой первоначального намагничивания. Благодаря ей мы можем увидеть, как меняется магнитная индукция в размагниченной катушке.

После насыщения (то есть точки 1) с уменьшением напряженности магнитного поля до нуля (участок 1-2), мы видим, что сердечник остался намагниченным на величину остаточной намагниченности Br. Это и называется явлением магнитного гистерезиса.

С точки зрения физики остаточная намагниченность объясняется тем, что в ферромагнетиках существуют сильные магнитные связи между молекулами, благодаря которым создаются беспорядочно направленные магнитные моменты. Под воздействием внешнего поля, они принимают направления поля, а после его снятия, часть магнитных моментов остаются направленными. Поэтому вещество остается намагниченным.

После изменения направления тока в катушке размагничивание продолжается (участок 2-3) до пересечения оси абсцисс. Участок 3-0 называется коэрцитивной силой Hc. Это величина, которая необходима для уничтожения поля в сердечнике. Далее аналогично происходит намагничивание сердечника до насыщения (участок 3-4) и обратно размагничивание на участке 4-5 и 5-6, с последующим намагничиванием до точки 1. Весь этот график называется петлей магнитного гистерезиса.

Если многократно намагнитить сердечник с напряженностью и индукцией магнитного поля, меньшими чем при насыщении, то можно получить семейство кривых, из которых в дальнейшем можно построить основную кривую намагничивания (0-1-2). Эта кривая зачастую требуется при электротехнических расчетах магнитных систем.

В зависимости от ширины петли гистерезиса, ферромагнитные материалы делят на магнитотвердые и магнитомягкие. Магнитотвердые вещества обладают большими значениями остаточной намагниченности и коэрцитивной силы. Магнитомягкие вещества, такие как электротехническая сталь применяют в трансформаторах, электрических машинах,электромагнитах , благодаря небольшой коэрцитивной силе и большому значению магнитной проницаемости.

Бывает гистерезис магнитный, сегнетоэлектрический, динамический, упругий. Он также встречается в биологии, почвоведении, экономике. Причем суть у этого определения практически одинакова. Но в статье пойдет речь именно про магнитный, вы узнаете более подробно об этом явлении, от чего оно зависит и когда проявляется. Данное явление изучается в вузах с технической направленностью, в школьную программу не входит, поэтому не каждый знает о нем.

Механизм возникновения петли гистерезиса

Для подробного изучения этого процесса нужно проанализировать отдельные участки кривой, обозначающей изменение индукции. Описание основных этапов:

1. сначала наблюдается смещение границ между соседними доменами;
2. далее ориентация моментов изменяется быстро в направлении силовых линий внешнего поля;
3. на этой стадии новое расположение границ становится необратимым;
4. этот участок характеризуется ростом отдельных доменов до максимального размера, магнитные моменты располагаются в точном соответствии линиям воздействующего поля;
5. завершающий участок показывает отсутствие влияния на магнитные моменты напряженности, созданной соленоидом.

Если уменьшить силовые параметры внешнего поля, образуется петля гистерезиса что это такое показывать можно на первой картинке (по направлению стрелок). Следует обратить внимание, что кривые отличаются. Запаздывание индукции соответствует базовым принципам явления. При нулевой напряженности B≠0. Эту величину называют остаточной индукцией. Данная особенность объясняет понятный процесс создания постоянного магнита. Сердечник сохраняет соответствующие свойства даже после отключения источника питания.

Намагниченность можно убрать повешением температуры до уровня точки Кюри определенного материала. Аналогичный результат получают с помощью соответствующего внешнего силового поля (-Hc). Эта напряженность создает коэрцитивную силу, достаточную для размагничивания сердечника из стали либо другого ферромагнетика. Завершенный полностью цикл называют петлей магнитного гистерезиса.

Энергия намагничивания

Петля считается несимметричной в том случае, когда максимумы поля Н1, которые прикладываются в обратном и прямом направлениях, не являются одинаковыми. Выше была описана петля, которая характерна для медленного процесса перемагничивания. При них происходит сохранение квазиравновесных связей между значениями Н и М. Нужно обратить внимание на то, что при намагничивании или размагничивании происходит отставание М от Н. И это приводит к тому, что вся та энергия, которая приобретается ферромагнитным материалом во время намагничивания, отдается не полностью при прохождении цикла размагничивания. И вот эта разница идет вся в нагрев ферромагнетика. И петля магнитного гистерезиса оказывается в этом случае несимметричной.

Применение гистерезиса в электротехнике и электронике

Намагниченность материалов и особенности переходных процессов следует учитывать при создании двигателей и трансформаторов. При эксплуатации этого оборудования в цепях переменного тока часть потребляемого электричества необходимо использовать для перемагничивания установленного сердечника. Аналогичные явления наблюдаются при работе коммутационных аппаратов. Изучение гистерезиса помогает увеличить КПД силовых машин и преобразователей напряжения, обеспечить необходимую скорость переключения реле.

Триггер Шмидта

На рисунке показана передаточная характеристика триггера Шмидта. Изменение выходного сигнала с определенным запаздыванием применяют для устранения ошибок при передаче информации. Обычный инвертор реагирует на импульсные помехи немедленным переключением. В данном случае временная задержка выполняет полезные функции фильтра. Она помогает корректно воспринимать управляющие сигналы в сложных условиях эксплуатации.

Такие решения применяют в электронике для исключения проблем при дребезге контактов. Расчетное замедление рабочих реакций можно пояснить с помощью типового терморегулятора. Если такое устройство создано без гистерезиса, переключения будут выполняться слишком часто. Однако в реальных условиях (отопление помещения) вполне достаточна точность ±3°C. Увеличив ширину петли, можно установить оптимальный диапазон для поддержания заданного температурного режима.

Использование графического изображения гистерезиса для расчётов

Для наглядного эксперимента можно собрать простую схему, представленную ниже:

• резистором R1 ограничивают переменный ток, проходящий через обмотку катушки;
• с элемента R2 снимают напряжение для формирования картинки на экране осциллографа;
• емкость конденсатора подбирают таким образом, чтобы 1/(w*С) получилось намного меньше R3.

Эксперимент

После подключения к осциллографу на экране можно наблюдать петлю гистерезиса. Это изображение с учетом реального масштаба можно использовать для расчетов и оценки характеристик созданной катушки. В следующем списке приведено соответствие отдельных отрезков рассмотренным выше параметрам:

• ОА – коэрцитивная сила;
• ОС – остаточная индукция;
• ОД – индукция насыщения;
• ОВ – магнитное поле.

К сведению. По установленной площади петли можно определить потери. Размер этой области соответствует работе, которая затрачена на компенсацию коэрцитивных сил. Эта энергия разогревает ферромагнетик и фактически расходуется впустую.

Площадь магнитного гистерезиса

Материалы с магнитными свойствами разделяют на две группы по ширине петли гистерезиса. Магнитомягкие (узкий график) отличаются сравнительно небольшой коэрцитивной силой и соответствующими меньшими энергетическими затратами. Такие изделия применяют для изготовления электродвигателей, приводов, трансформаторов напряжения.

Магнитомягкие и магнитотвердые материалы

Магнитотвердые отличаются увеличенным временем реакции на воздействие внешним полем. Эти материалы используют для создания микросхем памяти, постоянных магнитов.

Гистерезис магнитный

Это необратимая и неоднозначная зависимость показателя намагниченности вещества (причем это, как правило, ферромагнетики магнитоупорядоченные) от внешнего При этом поле постоянно изменяется — уменьшается или увеличивается. Общая причина существования гистерезиса — это наличие в минимуме термодинамического потенциала нестабильного состояния и стабильного, а также имеются необратимые переходы между ними. Гистерезис — это также проявление магнитного ориентационного 1-го рода. При них переходы от одной к другой фазам происходят из-за метастабильных состояний. Характеристика — это график, который носит название «петля гистерезиса». Иногда еще его называют «кривой намагниченности».

Петля гистерезиса: 7 важных фактов, которые вы должны знать

Магнитный гистерезис — обычное явление, если магнитный материал намагничен и завершает один полный цикл намагничивания. Когда плотность магнитного потока или плотность намагничивания (B) наносится на график зависимости от магнитной напряженности намагничивающего поля (H) для одного полного цикла намагничивания и размагничивания, то полученная в результате петля называется петлей гистерезиса. Кривая петли гистерезиса может быть разной по форме и размеру в зависимости от природы материала.

Гистерезис Значение

Это произошло от греческого слова «Hysterein», от слова «гистерезис», что означает отставание.

Кривая гистерезиса

Петля гистерезиса с разными параметрами

Объяснение кривой гистерезиса

• Когда интенсивность намагничивающего поля (H) увеличивается, плотность магнитного потока материала (B) также увеличивается, поскольку все больше и больше доменов выравниваются в направлении внешнего магнитного поля. Эта часть показана на приведенном выше рисунке, поскольку мы можем наблюдать от начальной точки до точки «а».
• Когда все домены выровнены из-за возрастающего внешнего поля, материал становится магнитно-насыщенным, то есть возникает явление насыщения. Помимо этого, если магнитная напряженность (H) увеличивается, плотность магнитного потока (B) не изменяется, она остается такой же, как мы можем заметить на рисунке, что после достижения точки «a», B становится постоянной.
• Теперь, если магнитная напряженность (H) уменьшается, плотность магнитного потока (B) также уменьшается, но она отстает от магнитной напряженности (H). Следовательно, мы можем заметить на рисунке, что когда магнитная напряженность (H) становится равной нулю в точке «b», плотность магнитного потока (B) не уменьшается до нуля. Значение плотности магнитного потока (B) сохраняется в материале, когда магнитная напряженность (H) равна «0», что считается «удерживающей способностью».
• Кроме того, если направление внешнего магнитного поля меняется на противоположное и величина напряженности магнитного поля (H) увеличивается, материал начинает размагничиваться. При наблюдении в точке «c» плотность магнитного потока (B) оказывается равной «0». Это значение напряженности магнитного поля (H), которое необходимо для уменьшения плотности магнитного потока (B) до нуля, называется «коэрцитивностью».
• Теперь, когда намагничивающее поле, приложенное в обратном направлении, увеличивается дальше, материал снова становится насыщенным, но в противоположном направлении, как показано на диаграмме в точке «d».
• Когда это обратное намагничивающее поле уменьшается, плотность магнитного потока (B) снова отстает от магнитной напряженности (H), и в точке «e» магнитная напряженность (H) становится равной нулю, но плотность магнитного потока (B) не уменьшается до нуля. .
• Опять же, когда текущее направление магнитного поля меняется на противоположное и напряженность магнитного поля (H) снова увеличивается от нуля, цикл повторяется.

Область, ограниченная петлей, представляет собой потерю энергии во время полного цикла намагничивания и размагничивания.

Проницаемость свободного пространства

Проницаемость свободного пространства, μ_o, является постоянным параметром, представленным точным значением 4π x 10 -7 Н / м используется для воздуха. Эта постоянная μo появляется в уравнениях Максвелла, которые описывают и связывают электрические и магнитные поля, а также свойства электромагнитный излучение, т. е. помогает связать и определить такие величины, как проницаемость, плотность намагниченности, напряженность магнитного поля и т. д.

Магнитный гистерезис подробно обсуждался в этой статье. но в дополнение к этому, нам нужно прояснить некоторые концепции, связанные с намагничиванием, такие как проницаемость, удерживающая способность в свободном пространстве и в другой среде.

Интенсивность намагничивания

Магнитный материал в магнитном поле создает индуцированный дипольный момент в этом материале, и этот момент на единицу объема распознается как интенсивность намагничивания (I) или плотность намагничивания.

=

где — суммарный индуцированный дипольный момент. Его единица измерения — Am -1

Что такое магнитная интенсивность?

Чтобы намагнитить магнитный материал, необходимо приложить магнитное поле. Отношение этого намагничивающего поля к проницаемости свободного пространства известно как напряженность магнитного поля H.

=

где , внешнее магнитное поле также называют плотностью магнитного потока.

Единица магнитной напряженности — Ам. -1 такая же, как у интенсивности намагничивания.

Что такое магнитная восприимчивость?

Отношение величины интенсивности намагничивания к величине магнитной напряженности известно как магнитная восприимчивость (). Магнитную восприимчивость можно объяснить как степень легкости, с которой магнитный материал может быть намагничен. Следовательно, материал с более высоким значением магнитной восприимчивости будет легче намагничиваться по сравнению с другими материалами, имеющими меньшее значение магнитной восприимчивости.

= где символы имеют свое обычное значение.

Магнитная восприимчивость — это скалярная величина, не имеющая измерения, следовательно, без единицы измерения.

Что такое магнитная проницаемость?

Магнитная проницаемость — это отношение значения чистого магнитного поля внутри материала к значению магнитной напряженности. Здесь чистое магнитное поле внутри материала является векторным сложением приложенного магнитного поля и магнитного поля для намагничивания этого вещества. Магнитную проницаемость можно просто объяснить как меру степени, в которой намагничивающее поле может проникать (проникать) в данный магнитный материал.

=

Магнитная проницаемость — это скалярная величина, единица измерения —

Другой термин, связанный с магнитной проницаемостью, — это относительная проницаемость, которую можно определить как отношение проницаемости среды к проницаемости свободного пространства.

Связь между B и H

Общее магнитное поле B, также называемое плотностью потока, представляет собой сумму силовых линий магнитного поля, созданных внутри заданной области. Обозначается символом B.

В качестве магнитной напряженности H, которая прямо пропорциональна внешнему магнитному полю, следовательно, можно утверждать, что напряженность магнитного поля или напряженность магнитного поля H может быть увеличена путем увеличения либо величины тока, либо количества витков катушки, в которой материал сохраняется.

Мы знаем, что B = μH или B = H

μ_r не имеет постоянного значения, а зависит от напряженности поля, поэтому для магнитных материалов отношение плотности потока или общего магнитного поля к напряженности магнитного поля или напряженности магнитного поля известно B / H.

Следовательно, мы получаем нелинейную кривую, когда строим график магнитного потока (B) и магнитной интенсивности (H) по оси X и оси Y соответственно. Но для катушек без материала внутри, то есть магнитный поток не индуцируется внутри какого-либо материала, а индуцируется в вакууме или в случае сердечника из немагнитного материала, такого как дерево, пластик и т. Д.

Мы можем наблюдать, что плотность магнитного потока для вышеуказанных материалов, то есть железа и стали, становится постоянной с увеличением величины напряженности магнитного поля, и это известно как насыщение, поскольку плотность магнитного потока насыщается для более высоких значений магнитной напряженности. Когда магнитная напряженность мала и, следовательно, приложенная сила магнетизма мала, выравниваются только несколько атомов в материале. С увеличением магнитной напряженности остальные также легко выравниваются.

Однако с увеличением H, поскольку все больший и больший поток скапливается в одной и той же площади поперечного сечения ферромагнитного материала, очень мало атомов доступно внутри этого материала для выравнивания; поэтому, если мы увеличиваем H, магнитный поток (B) больше не увеличивается и, следовательно, становится насыщенным. Как упоминалось ранее, явление насыщения ограничено электромагнитами с железным сердечником.

Сохраняемость и коэрцитивность в петле гистерезиса

Сохраняемость

Удерживающая способность материала — это мера величины магнитного поля, остающегося в материале, когда внешнее намагничивающее поле удалено. Его также можно определить как способность материала сохранять часть своего магнетизма даже после того, как процесс намагничивания был остановлен. Стабильно зависит от характеристик материалов.

После намагничивания магнитного материала некоторые электроны в атомах остаются выровненными в направлении первоначального направления намагничивающего поля и ведут себя как крошечные магниты со своими собственными дипольными моментами и не возвращаются к полностью случайной структуре, как остальные из них. Из-за этого в материалах остается некоторое магнитное поле или общий магнетизм. Ферромагнитные материалы обладают сравнительно высокой удерживающей способностью по сравнению с другими намагничивающими материалами, что делает их идеальными для создания постоянных магнитов.

Остаточный магнетизм

Остаточный магнетизм — это величина плотности магнитного потока, которая может удерживаться магнитным материалом, и способность удерживать ее известна как удерживающая способность материала.

Коэрцитивная сила

Коэрцитивная сила может быть определена как величина силы намагничивания, необходимая для устранения остаточного магнетизма, удерживаемого материалом.

В следующих разделах мы обсудим типы магнитов, постоянных магнитов и электромагнитов в зависимости от свойств и природы материалов.