Гистерезис: что это такое и как он влияет на технику?

Гистерезис – это явление, которое проявляется в случае замедления изменения определенного параметра в технике, физике, биологии и других областях науки и техники. В процессе изменения этого параметра система может реагировать не только на текущее значение, но и на историю изменений этого параметра. Существует ряд причин возникновения гистерезиса, которые связаны с физическими свойствами материалов, характером реакции биологических систем и другими факторами.

Проявления гистерезиса могут быть разнообразными и присутствуют во многих сферах человеческой жизни. Например, эластичная пластина, находящаяся под нагрузкой, может быть согнута на определенный угол, но при снятии нагрузки не вернется в свое исходное положение – она останется слегка согнутой. Этот эффект связан с тем, что при внесении нагрузки атомы пластины начинают перемещаться, меняя свое расположение в кристаллической решетке. В процессе снятия нагрузки атомы должны вернуться в свое исходное положение, но это занимает время, пока атомы не найдут новое равновесие. Таким образом, возникает гистерезисное напряжение, которое сохраняется в пластине.

Еще одним примером гистерезиса является магнитное поле. Если магнитное поле не меняется, а температура поднимается, то для магнитной индукции B можно получить зависимость B = f(T). Однако, при отклонении магнитного поля от какого-то начального значения, например, ввиду влияния на магнит, функциональная зависимость B = f(T) будет иметь другой вид, а именно зависимость от истории предшествующих значений магнитного поля. Причем при повышении температуры индукция может сначала уменьшаться, а затем возрастать – такой эффект также объясняется гистерезисом.

Гистерезис: определение, причины и проявления

Определение гистерезиса

Гистерезис – это явление, которое проявляется в изменении параметров системы при изменении условий ее функционирования с последующим возвращением к первоначальным значениям только после изменения условий работы еще раз. Другими словами, гистерезис описывает зависимость параметров системы от ее истории.

Причины гистерезиса

Причиной гистерезиса могут быть различные факторы, такие как временная задержка в реакции на изменение условий, наличие буферов и запаздывающих элементов, неоднородность системы и другие. В некоторых случаях, гистерезис проявляется из-за наличия сильного внешнего воздействия, которое меняет параметры системы.

Проявления гистерезиса

Проявлениями гистерезиса могут быть различные явления: зависимость параметров системы от ее истории, неоднородности в поведении системы на восходящей и на нисходящей ветвах цикла, потеря точности и устойчивости при управлении системой, дрейф параметров системы и другие.

Примеры проявления гистерезиса

Примерами проявления гистерезиса могут быть явления, связанные со сменой фазы, магнитных свойств материалов, электронной проводимости, термического расширения, давления и другие. Например, проявление гистерезиса наблюдается при изменении магнитных свойств материалов, когда при магнитном поле параметры материала изменяются и не возвращаются к первоначальным значениям при изменении поля до нуля.

Гистерезис

Определение и понятие

Гистерезис — это явление, когда значение параметра системы зависит не только от значений стимулов, но и от их истории. Иными словами, текущее состояние системы зависит от предыстории.

Например, когда мы отпускаем резиновый шарик, он не мгновенно возвращается в свою исходную форму — между напряжением и формой есть определенная задержка. При повторной деформации шарика без дополнительной нагрузки в его поведении останется след, связанный с его предыдущим состоянием. Это и есть гистерезис.

Это явление встречается не только в физических системах, но и в биологических и экономических. Он возникает из-за потерь энергии, которая превращается в тепло или другие формы энергии, и из-за наличия «памяти» у системы.

Гистерезис может вызывать нежелательные эффекты, когда точность и стабильность системы играют важную роль, однако также может использоваться с целью создания и контроля нелинейных свойств системы и обеспечения ее стабильности.

Принципы действия гистерезиса

Гистерезис – это явление, при котором значение физической величины зависит не только от текущих входных параметров, но также от их предыдущей истории. Суть гистерезиса заключается в том, что изменение входного сигнала оказывает разное влияние на выходную величину в зависимости от того, какой был исторический путь входного сигнала.

Принципы действия гистерезиса лежат в основе работы многих физических систем, таких как магнитные материалы, системы управления, термодинамические процессы и т.д. Проявление гистерезиса связано с наличием памяти вещества или системы.

При изменении входных параметров, выходная величина обычно отстает от изменения входа. Кроме того, при повторном изменении входных параметров необходимо пройти отдельный путь для каждого повторного изменения. Из-за этого возможно наблюдать неточности в управлении системами, а также переполнения данных и другие ошибки.

Понимание принципов действия гистерезиса позволяет улучшить управляемость систем и предсказуемость их поведения, а также применять этот эффект в различных физических и технических процессах, в частности, при создании сенсоров и других устройств, которые оценивают и реагируют на изменения параметров окружающей среды.

Причины проявления гистерезиса

Гистерезис проявляется во многих физических процессах и является результатом некоторых причин.

• Инерционность – при изменении параметров материала (например, магнитного поля в магнитомягких материалах) энергия рассеивается на преодоление силы инерции вещества. Это приводит к потере энергии и сохранению некоторой доли ее внутри материала.
• Диссипация энергии – при вводе энергии в материал она частично превращается в тепло в процессе взаимодействия атомов или молекул, участвующих в процессе.
• Циклические процессы – если изменения внешних параметров происходят циклически, то материал не успевает реагировать на каждое изменение в полной мере, что приводит к накоплению энергии внутри материала и, следовательно, гистерезису.

Эти причины дополняют друг друга и могут проявляться в разных сочетаниях в зависимости от конкретной ситуации. Понимание этих причин позволяет разработать методы и приборы для управления этим явлением и уменьшения его вредных последствий.

Примеры проявления гистерезиса в природе и технике

Природа

Один из наиболее известных примеров гистерезиса в природе – это расширение и сжатие земли при изменении ее температуры. При нагреве земная кора расширяется, а при охлаждении – сжимается. Однако эти изменения происходят не мгновенно, а с задержкой, в результате чего возникает гистерезис.

Также гистерезис наблюдается при взаимодействии земли с водой. При наличии дождей и заливных участков земля поглощает воду, расширяясь. При отсутствии осадков земля высыхает и сжимается. Это также вызывает гистерезис.

Техника

Гистерезис – важный физический эффект, который находит широкое применение в технике. Он используется, например, в магнитных материалах. Если магнит облагается внешним магнитным полем, то он начинает оказывать сопротивление изменению поля. Когда внешнее поле прекращается, магнит сохраняет свойства, что также является проявлением гистерезиса.

Гистерезис используется также в регулировании температуры. Например, при производстве колесных тормозных механизмов используется гистерезисный принцип регулирования. Тормоза устанавливаются таким образом, чтобы при нажатии на педаль тормоза возникал гистерезис в материале диска. Это позволяет увеличить тормозной эффект и защитить механизм от износа.

Вопрос-ответ

Что такое гистерезис?

Гистерезис — это свойство физических процессов в материалах, который проявляется в том, что их физические свойства зависят не только от текущего значения некоторого параметра, но и от истории изменения этого параметра. Иными словами, материал может сохранять «память» о своем прошлом.

Какие причины вызывают гистерезис?

Гистерезис вызывается в основном взаимодействием между различными состояниями вещества, которые оказываются в конкуренции друг с другом и не могут мгновенно обновиться. Также гистерезис может происходить из-за явлений, связанных с диссипацией энергии, например, из-за трения.

Какие материалы проявляют гистерезис?

Гистерезис могут проявлять многие материалы, включая магниты, эластомеры, сплавы, полимеры и многие другие.

Как проявляется гистерезис в магнитных материалах?

Гистерезис в магнитных материалах проявляется в том, что под действием внешнего магнитного поля они могут переходить из одного магнитного состояния в другое, сохраняя память о своем предыдущем состоянии. Это свойство широко используется в электромеханических устройствах, например, в электродвигателях и генераторах.

Какие явления связаны с гистерезисом?

С гистерезисом связаны такие явления, как потери энергии в материалах, тепловые эффекты (например, нагрев материала при быстрых изменениях внешнего параметра), неустойчивость систем и др.

Какие примеры проявления гистерезиса можно привести?

Примерами проявления гистерезиса можно назвать такие явления, как искривление траектории упругого возврата, сохранение формы после деформации упругопластичных материалов при их разгрузке, затухание колебаний, связанных с магнитными полями, и др.