Гистерезис (от греч. hysteresis - отставание, запаздывание), явление, которое состоит в том, что физическая величина, характеризующая состояние тела (например, намагниченность), неоднозначно зависит от физические величины, характеризующей внешние условия (например, магнитного поля). 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. Неоднозначная зависимость величин наблюдается в любых процессах, т.к. для изменения состояния тела всегда требуется определённое время (время релаксации ) и реакция тела отстаёт от вызывающих её причин. Такое отставание тем меньше, чем медленнее изменяются внешние условия Однако для некоторых процессов отставание при замедлении изменения внешних условий не уменьшается. В этих случаях неоднозначную зависимость величин называется гистерезисной, а само явление - Гистерезис
Гистерезис наблюдается в различных веществах и при разных физических процессах. Наибольший интерес представляют: магнитный Гистерезис, диэлектрический Гистерезис и упругий Гистерезис
Магнитный Гистерезис наблюдается в магнитных материалах, например в ферромагнетиках . Основной особенностью ферромагнетиков является наличие спонтанной (самопроизвольной) намагниченности. Обычно ферромагнетик намагничен не однородно, а разбит на домены - области однородной спонтанной намагниченности, у которых величина намагниченности (магнитного момента единицы объема) одинакова, а направления различны. Под действием внешнего магнитного поля число и размеры доменов, намагниченных по полю, увеличиваются за счёт др. доменов. Кроме того, магнитные моменты отдельных доменов могут поворачиваться по полю. В результате магнитный момент образца увеличивается.
На рис. 1 изображена зависимость магнитного момента М ферромагнитного образца от напряжённости Н внешнего магнитного поля (кривая намагничивания). В достаточно сильном магнитном поле образец намагничивается до насыщения (при дальнейшем увеличении поля значение М практически не изменяется, точка А). При этом образец состоит из одного домена с магнитным моментом насыщения Ms, направленным по полю. При уменьшении напряжённости внешнего магнитного поля Н магнитный момент образца М будет уменьшаться по кривой I преимущественно за счёт возникновения и роста доменов с магнитным моментом, направленным против поля. Рост доменов обусловлен движением доменных стенок. Это движение затруднено из-за наличия в образце различных дефектов (примесей, неоднородностей и т.п.), которые закрепляют доменные стенки в некоторых положениях; требуются достаточно сильные магнитные поля для того, чтобы их сдвинуть. Поэтому при уменьшении поля Н до нуля у образца сохраняется т. н. остаточный магнитный момент Mr (точка В).
Образец полностью размагничивается лишь в достаточно сильном поле противоположного направления, называемом коэрцитивным полем (коэрцитивной силой ) Нс (точка С). При дальнейшем увеличении магнитного поля обратного направления образец вновь намагничивается вдоль поля до насыщения (точка D). Перемагничивание образца (из точки D в точку А) происходит по кривой II. Т. о., при циклическом изменении поля кривая, характеризующая изменение магнитного момента образца, образует петлю магнитного Гистерезис Если поле Н циклически изменять в таких пределах, что намагниченность насыщения не достигается, то получается непредельная петля магнитного Гистерезис (кривая III). Уменьшая амплитуду изменения поля Н до нуля, можно образец полностью размагнитить (прийти в точку О). Намагничивание образца из точки О происходит по кривой IV.
При магнитном Гистерезис одному и тому же значению напряжённости внешнего магнитного поля Н соответствуют разные значения магнитного момента М. Эта неоднозначность обусловлена влиянием состояний образца, предшествующих данному (т. е. магнитной предысторией образца).
Вид и размеры петли магнитного Гистерезис, величина Нс в различных ферромагнетиках могут меняться в широких пределах. Например, в чистом железе Нс= 1 э, в сплаве магнико Нс= 580 э. На петлю магнитного Гистерезис сильно влияет обработка материала, при которой изменяется число дефектов (рис. 2).
Площадь петли магнитного Гистерезис равна энергии, теряемой в образце за один цикл изменения поля. Эта энергия идёт, в конечном счёте, на нагревание образца. Такие потери энергии называются гистерезисными. В тех случаях, когда потери на Гистерезис нежелательны (например, в сердечниках трансформаторов, в статорах и роторах электрических машин), применяют магнитномягкие материалы, обладающие малым Нс и малой площадью петли Гистерезис Для изготовления постоянных магнитов, напротив, требуются магнитножёсткие материалы с большим Нс.
С ростом частоты переменного магнитного поля (числа циклов перемагничивания в единицу времени) к гистерезисным потерям добавляются др. потери, связанные с вихревыми токами и магнитной вязкостью . Соответственно площадь петли Гистерезис при высоких частотах увеличивается. Такую петлю иногда называют динамической петлей, в отличие от описанной выше статической петли.
От магнитного момента зависят многие др. свойства ферромагнетика, например электрическое сопротивление, механическая деформация. Изменение магнитного момента вызывает изменение и этих свойств. Соответственно наблюдается, например, гальваномагнитный Гистерезис, магнитострикционный Гистерезис
Диэлектрический Гистерезис наблюдается обычно в сегнетоэлектриках , например титанате бария. Зависимость поляризации Р от напряжённости электрического поля Е в сегнетоэлектриках (рис. 3) подобна зависимости М от Н в ферромагнетиках и объясняется наличием спонтанной электрической поляризации, электрических доменов и трудностью перестройки доменной структуры. Гистерезисные потери составляют большую часть диэлектрических потерь в сегнетоэлектриках.
Поскольку с поляризацией связаны др. характеристики сегнетоэлектриков, например деформация, то с диэлектрическим Гистерезис связаны др. виды Гистерезис, например пьезоэлектрический Гистерезис (рис. 4), Гистерезис электрооптического эффекта . В некоторых случаях наблюдаются двойные петли диэлектрического Гистерезис (рис. 5). Это объясняется тем, что под влиянием электрического поля в образце происходит фазовый переход с перестройкой кристаллической структуры. Такого рода диэлектрический Гистерезис тесно связан с Гистерезис при фазовых переходах.
Упругий Гистерезис, т. е. гистерезисная зависимость деформации и от механического напряжения s, наблюдается в любых реальных материалах при достаточно больших напряжениях (рис. 6). Упругий Гистерезис возникает всякий раз, когда имеет место пластическая (неупругая) деформация (см. Пластичность ). Пластическая деформация обусловлена перемещением дефектов, например дислокаций , всегда присутствующих в реальных материалах. Примеси, включения и др. дефекты, а также сама кристаллическая решётка стремятся удержать дислокацию в определенных положениях в кристалле. Поэтому требуются напряжения достаточной величины, чтобы сдвинуть дислокацию. Механическая обработка и введение примесей приводят к закреплению дислокаций, в результате чего происходит упрочнение материала, пластическая деформация и упругий Гистерезис наблюдаются при больших напряжениях. Энергия, теряемая в образце за один цикл, идёт в конечном счёте на нагревание образца. Потери на упругий Гистерезис дают вклад во внутреннее трение . В случае упругих деформаций, помимо гистерезисных, есть и др. потери, например обусловленные вязкостью . Величина этих потерь, в отличие от гистерезисных, зависит от частоты изменения s (или и). Иногда понятие «упругий Гистерезис» употребляется шире - говорят о динамической петле упругого Гистерезис, включающей все потери на данной частоте.
Лит.: Киренский Л. В., Магнетизм, 2 изд., М., 1967; Вонсовский С. В., Современное учение о магнетизме, М. - Л., 1952; Бозорт Р., Ферромагнетизм, пер. с англ., М., 1956; Иона Ф., Ширане Д., Сегнетоэлектрические кристаллы, пер. с англ., М., 1965; Постников В. С., Внутреннее трение в металлах, М., 1969; Физический энциклопедический словарь, т. 1, М., 1960.
А. П. Леванюк, Д. Гистерезис Санников.
Рис. 2. Влияние механической и термической обработки на форму петли магнитного гистерезиса пермалоя: 1 - после наклёпа; 2 - после отжига; 3 - кривая мягкого железа (для сравнения).
Рис. 2. Влияние механической и термической обработки на форму петли магнитного гистерезиса пермалоя: 1 - после наклёпа; 2 - после отжига; 3 - кривая мягкого железа (для сравнения).
Рис. 5. Двойная петля диэлектрического гистерезиса.
Рис. 5. Двойная петля диэлектрического гистерезиса.
Рис. 6. Петля упругого гистерезиса: s - механическое напряжение; u - деформация.
Рис. 6. Петля упругого гистерезиса: s - механическое напряжение; u - деформация.
Рис. 1. Петля магнитного гистерезиса для ферромагнетика: Н - напряжённость магнитного поля; М - магнитный момент образца; Нс - коэрцитивное поле; Mr - остаточный магнитный момент; Ms - магнитный момент насыщения. Пунктиром показана непредельная петля гистерезиса. Схематически приведена доменная структура образца для некоторых точек петли.
Рис. 1. Петля магнитного гистерезиса для ферромагнетика: Н - напряжённость магнитного поля; М - магнитный момент образца; Нс - коэрцитивное поле; Mr - остаточный магнитный момент; Ms - магнитный момент насыщения. Пунктиром показана непредельная петля гистерезиса. Схематически приведена доменная структура образца для некоторых точек петли.
Рис. 3. Петля диэлектрического гистерезиса в сегнетоэлектрике: Р - поляризация образца; Е - напряжённость электрического поля.
Рис. 3. Петля диэлектрического гистерезиса в сегнетоэлектрике: Р - поляризация образца; Е - напряжённость электрического поля.
U - деформация: Е - напряжённость электрического поля." href="/a_pictures/18/10/285321023.jpg">U - деформация: Е - напряжённость электрического поля."http://titanium.atomistry.com/">титанате бария: U - деформация: Е - напряжённость электрического поля." src="a_pictures/18/10/th_285321023.jpg">
Рис. 4. Петля гистерезиса обратного пьезоэлектрического эффекта в титанате бария: U - деформация: Е - напряжённость электрического поля.
