Что такое гистерезис? Объясняю понятно и даже интересно (статья урок)

Слово ‎гистерезис‏ ‎обычно ‎вызывает ‎у ‎человека, ‎изучающего‏ ‎физику, ‎неоднозначные‏ ‎эмоции.‏ ‎Чем-то ‎оно ‎напоминает‏ ‎катехизис, ‎который‏ ‎очень ‎похож ‎по ‎звучанию,‏ ‎но‏ ‎совсем ‎непохож‏ ‎по ‎смыслу,‏ ‎а ‎чем-то ‎на ‎синхрофазотрон. ‎Ведь‏ ‎не‏ ‎гистерезис, ‎ни‏ ‎синхрофазотрон ‎для‏ ‎простого ‎читателя ‎совсем ‎непонятны.

Между ‎тем,‏ ‎гистерезис‏ ‎-‏ ‎это ‎один‏ ‎из ‎весьма‏ ‎значимых ‎для‏ ‎физики‏ ‎терминов и ‎было‏ ‎бы ‎полезно ‎понять, ‎что ‎это‏ ‎такое ‎и‏ ‎с‏ ‎чем ‎это ‎едят.‏ ‎Если ‎едят...Ведь‏ ‎название ‎можно ‎соотнести ‎и‏ ‎с‏ ‎названием ‎какого-нибудь‏ ‎неведомого ‎африканского‏ ‎блюда, ‎а ‎там ‎уж ‎одному‏ ‎Богу‏ ‎ведомо, ‎что‏ ‎туда ‎добавляют‏ ‎для ‎вкуса.

Термин ‎гистерезис

Как ‎и ‎многие‏ ‎термины,‏ ‎которые‏ ‎приходят ‎к‏ ‎нам ‎из‏ ‎латыни ‎или‏ ‎греческого‏ ‎языка, ‎слово‏ ‎гистерезис ‎тоже ‎"заморское". ‎Там ‎оно‏ ‎не ‎кажется‏ ‎каким-то‏ ‎необычным. ‎К ‎слову‏ ‎будет ‎добавить,‏ ‎что ‎вот ‎к ‎чему‏ ‎приводит‏ ‎постоянное ‎использование‏ ‎иностранных ‎аналогов‏ ‎русских ‎слов. ‎Понятно, ‎что в ‎физике‏ ‎гораздо‏ ‎проще ‎говорить‏ ‎на ‎одном‏ ‎языке ‎со ‎своими ‎коллегами ‎из‏ ‎других‏ ‎стран, но‏ ‎когда ‎речь‏ ‎про ‎мерчендайзеров‏ ‎гораздо ‎лучше‏ ‎было‏ ‎бы ‎использовать‏ ‎понятное ‎русское ‎слово.

Вот ‎и ‎слово‏ ‎гистерезис ‎в‏ ‎переводе‏ ‎с ‎греческого ‎означает‏ ‎запаздывание. ‎Всего‏ ‎лишь ‎запаздывание. ‎Зная ‎его‏ ‎значение,‏ ‎дальше ‎будет‏ ‎гораздо ‎проще‏ ‎вникать ‎в ‎суть. ‎Вот ‎только‏ ‎есть‏ ‎тут ‎и‏ ‎усложнение ‎-‏ ‎не ‎просто ‎запаздывание, ‎которое ‎может‏ ‎быть‏ ‎при‏ ‎работе ‎механического‏ ‎доводчика ‎для‏ ‎двери, ‎а‏ ‎запаздывание‏ ‎с ‎определенными‏ ‎характеристиками.

Гистерезис ‎характерен ‎не ‎только ‎для‏ ‎физики. ‎Процессы‏ ‎описываются‏ ‎по ‎этому ‎закону‏ ‎и ‎в‏ ‎биологии, ‎и ‎в ‎других‏ ‎отраслях‏ ‎знаний.

Изображаются ‎процессы,‏ ‎которые ‎протекают‏ ‎по ‎этому ‎закону ‎петлёй ‎гистерезиса,‏ ‎которую‏ ‎мы ‎и‏ ‎видим ‎в‏ ‎учебниках ‎физики. ‎Но ‎повторюсь, не ‎только‏ ‎для‏ ‎физических‏ ‎процессов ‎характерно‏ ‎протекание ‎в‏ ‎виде ‎такой‏ ‎петли.

В‏ ‎чём ‎особенность‏ ‎гистерезиса

Глядя ‎на ‎график, ‎приведенный ‎выше,‏ ‎гистерезис ‎становится‏ ‎чуть‏ ‎более ‎понятным. ‎Но‏ ‎истинный ‎смысл‏ ‎всё-таки ‎под ‎вопросом. ‎Что‏ ‎это‏ ‎такое ‎нарисовано?

А‏ ‎изображена ‎на‏ ‎графике, ‎друзья ‎мои, ‎особенность ‎реакции‏ ‎системы‏ ‎на ‎некоторый‏ ‎фактор ‎или‏ ‎внешний ‎раздражитель. ‎График ‎иллюстрирует, ‎что‏ ‎в‏ ‎некоторых‏ ‎случаях, ‎система,‏ ‎на ‎которую‏ ‎воздействуют, ‎реагирует‏ ‎на‏ ‎это ‎воздействие‏ ‎с ‎запозданием. ‎При ‎этом, ‎в‏ ‎результате ‎протекания‏ ‎процесса,‏ ‎рассматриваемая ‎система ‎может‏ ‎вернуться ‎в‏ ‎свое ‎первоначальное ‎состояние. Система ‎неоднозначно‏ ‎зависит‏ ‎от ‎величины,‏ ‎характеризующей ‎условия.‏ ‎Именно ‎это ‎и ‎изображают ‎замкнутые‏ ‎кривые‏ ‎петли ‎гистерезиса‏ ‎- ‎ход‏ ‎ответной ‎реакции ‎и ‎время ‎замедления.

Проще‏ ‎всего‏ ‎это‏ ‎понять, ‎разобрав‏ ‎магнитный ‎гистерезис.‏ ‎Но ‎повторимся,‏ ‎что‏ ‎такое ‎течение‏ ‎процесса ‎характерно ‎не ‎только ‎для‏ ‎физики ‎или‏ ‎электрофизики. Просто‏ ‎пример ‎удобный.

Магнитный ‎гистерезис‏ ‎в ‎физике‏ ‎как ‎пример ‎процессов ‎по‏ ‎гистерезису

Из‏ ‎практики ‎вы‏ ‎знаете, ‎что‏ ‎бывают ‎материалы, ‎которые ‎умеют ‎намагничиваться,‏ ‎а‏ ‎бывают, ‎которые‏ ‎не ‎умеют‏ ‎намагничиваться.

Если ‎поднести ‎постоянный ‎магнит ‎к‏ ‎алюминиевому‏ ‎стержню,‏ ‎то ‎после‏ ‎того, ‎как‏ ‎постоянный ‎магнит‏ ‎будет‏ ‎убран, ‎алюминиевый‏ ‎стержень ‎ничего ‎не ‎примагнитит. ‎А‏ ‎если ‎взять‏ ‎подходящий‏ ‎стальной ‎стержень ‎сначала‏ ‎подержать ‎рядом‏ ‎с ‎магнитом, ‎а ‎потом‏ ‎попробовать‏ ‎примагнитить ‎сами‏ ‎таким ‎стержнем‏ ‎что-то, ‎то ‎стержень ‎и ‎без‏ ‎постоянного‏ ‎магнита ‎будет‏ ‎притягивать ‎предметы.‏ ‎Он ‎намагнитился. ‎Такой ‎материал ‎называется‏ ‎магнитно-твердым, а‏ ‎алюминиевый‏ ‎стержень ‎из‏ ‎примера ‎выше‏ ‎был ‎магнитно-мягким. Но‏ ‎не‏ ‎это ‎сейчас‏ ‎важно. ‎Важна ‎особенность ‎сохранения ‎этой‏ ‎намагниченности ‎у‏ ‎стального‏ ‎стержня.

Стержень ‎из ‎стали‏ ‎можно ‎размагнитить.‏ ‎Для ‎этого ‎достаточно ‎тот‏ ‎самый‏ ‎постоянный ‎магнит,‏ ‎которым ‎мы‏ ‎его ‎изначально ‎намагнитили, ‎поднести ‎к‏ ‎стальному‏ ‎стержню ‎обратной‏ ‎стороной, ‎обратным‏ ‎полюсом. ‎Стержень ‎почти ‎сразу ‎размагнитится.

Теперь‏ ‎если‏ ‎запихнуть‏ ‎такой ‎стержень‏ ‎внутрь ‎катушки,‏ ‎а ‎по‏ ‎катушке‏ ‎пропускать ‎переменный‏ ‎ток, ‎который ‎будет ‎меняться, ‎скажем‏ ‎от ‎-1А,‏ ‎до‏ ‎+1А, ‎то ‎процесс‏ ‎намагничивания ‎стального‏ ‎стержня ‎и ‎опишет ‎петля‏ ‎гистерезиса!

Когда‏ ‎у ‎нас‏ ‎величина ‎переменного‏ ‎тока ‎достигает ‎нуля, ‎намагниченность ‎образца‏ ‎до‏ ‎нуля ‎не‏ ‎падает. Смотрим ‎на‏ ‎точку ‎Mr ‎на ‎графике. ‎Это‏ ‎та‏ ‎самая‏ ‎остаточная ‎намагниченность.‏ ‎Мы ‎видели‏ ‎её ‎при‏ ‎намагничивании‏ ‎постоянным ‎магнитом.‏ ‎Но ‎тут-то ‎она ‎плавает, ‎потому‏ ‎что ‎в‏ ‎катушке‏ ‎ток ‎переменный.

Коэрцитивная ‎сила, отмеченная‏ ‎точкой ‎Hc‏ ‎- ‎это ‎момент, ‎когда‏ ‎наш‏ ‎стержень ‎внутри‏ ‎катушки ‎полностью‏ ‎размагничен.

А ‎что ‎у ‎нас ‎внутри‏ ‎этой‏ ‎петли? ‎Что‏ ‎может ‎описывать‏ ‎её ‎площадь? ‎При ‎некоторой ‎доле‏ ‎приближения‏ ‎можно‏ ‎сказать, ‎что‏ ‎это ‎энергетические‏ ‎потери ‎на‏ ‎каждый‏ ‎цикл ‎перемагничивания‏ ‎образца. ‎Логично ‎предположить, ‎что ‎для‏ ‎изготовления ‎сердечника‏ ‎трансформатора‏ ‎тогда ‎нужно ‎подобрать‏ ‎материал ‎с‏ ‎такой ‎минимальной ‎площадью.

Вы ‎можете‏ ‎тут‏ ‎сказать ‎-‏ ‎ну ‎так‏ ‎делайте, ‎блин, ‎трансформаторы ‎вообще ‎без‏ ‎сердечника.‏ ‎Зачем ‎сердечник?‏ ‎Но ‎ведь‏ ‎мы ‎только ‎что ‎сказали, ‎что‏ ‎если‏ ‎ток‏ ‎переменный, ‎то‏ ‎магнитное ‎поле‏ ‎то ‎есть,‏ ‎то‏ ‎нет. ‎Нам‏ ‎нужно ‎этот ‎процесс ‎выровнять. ‎Сделать‏ ‎этакий ‎аккумулятор‏ ‎намагниченности.‏ ‎Трансформатор ‎обычно ‎имеет‏ ‎несколько ‎обмоток.‏ ‎Так ‎работает ‎понижение ‎или‏ ‎повышение‏ ‎напряжения. ‎Для‏ ‎того, ‎чтобы‏ ‎поле ‎передавалось ‎эффективно ‎с ‎одной‏ ‎обмотки‏ ‎на ‎другую,‏ ‎удобно ‎использовать‏ ‎сердечник. ‎Потери ‎тут ‎нужно ‎организовать‏ ‎минимальные.‏ ‎Это‏ ‎удобно ‎определять‏ ‎по ‎гистерезису.

Вот‏ ‎и ‎получается,‏ ‎что‏ ‎гистерезис ‎в‏ ‎данном ‎случае ‎показывает, ‎как ‎меняется‏ ‎намагниченность ‎стального‏ ‎сердечника‏ ‎при ‎изменении ‎параметров‏ ‎электрического ‎тока‏ ‎в ‎катушке.

Петля ‎появляется ‎в‏ ‎результате‏ ‎того, ‎что‏ ‎и ‎сам‏ ‎ток ‎у ‎нас ‎меняется ‎по‏ ‎синусоиде. Если‏ ‎бы ‎сердечник‏ ‎не ‎обладал‏ ‎специфическими ‎характеристиками, ‎то ‎намагниченность ‎изменялась‏ ‎просто‏ ‎по‏ ‎прямой. ‎Но‏ ‎специфика ‎процесса‏ ‎тут ‎объясняется‏ ‎магнитными‏ ‎доменами, ‎о‏ ‎поведении ‎которых ‎мы ‎обязательно ‎расскажем‏ ‎дополнительно. ‎Поэтому,‏ ‎нужно‏ ‎подписаться ‎на ‎проект,‏ ‎чтобы ‎ничего‏ ‎не ‎пропустить ‎:)

Ну ‎и‏ ‎напоследок‏ ‎отмечу, ‎что‏ ‎вот ‎так‏ ‎например ‎выглядит ‎упругий ‎гистерезис:

Таким ‎образом‏ ‎поведет‏ ‎себя ‎механическая‏ ‎деформация ‎системы‏ ‎для ‎некоторых ‎случаев. ‎Обратите ‎внимание‏ ‎на‏ ‎ступеньку‏ ‎и ‎разгрузку‏ ‎образца.

Получается, ‎что‏ ‎в ‎гистерезисе‏ ‎нет‏ ‎никакой ‎магии!‏ ‎Просто ‎таким ‎образом ‎ведут ‎себя‏ ‎некоторые ‎объекты‏ ‎и‏ ‎измеряемые ‎параметры ‎некоторого‏ ‎объекта ‎в‏ ‎ответ ‎на ‎изменение ‎воздействующего‏ ‎фактора.‏ ‎Изменение ‎происходит‏ ‎не ‎по‏ ‎прямой ‎или ‎по ‎параболе, ‎а‏ ‎именно‏ ‎вот ‎так.‏ ‎Петля ‎гистерезиса‏ ‎- ‎это ‎график ‎изменения. ‎Специфический,‏ ‎но‏ ‎график.