ГИСТЕРЕЗИС

(от греч. hysteresis — отставание, запаздывание), явление, к-рое состоит в том, что физ. величина, характеризующая состояние тела (напр., намагниченность), неоднозначно зависит от физ. величины, характеризующей внеш. условия (напр., магн. поля). Г. наблюдается в тех случаях, когда состояние тела в данный момент времени определяется внеш. 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 определ. время (время релаксации) и реакция тела отстаёт от вызывающих её причин. Такое отставание тем меньше, чем медленнее изменяются внеш. условия. Однако для нек-рых процессов отставание при замедлении изменения внеш. условий не уменьшается. В этих случаях неоднозначную зависимость величин наз. гистерезисной, а само явление — Г. Наблюдается Г. в разл. в-вах и при разных физ. процессах. Наибольший интерес представляют магн. Г., сегнетоэлектрич. Г. и упругий Г. .

Рис. 1. Кривые намагничивания и размагничивания ферромагнетика при наличии магн. гистерезиса: Н — напряжённость внеш. магн. поля; М — намагниченность образца; Нc — коэрцитивное поле; Мr — остаточная намагниченность; Ms — намагниченность насыщения. Пунктиром показана непредельная петля гистерезиса. Схематически приведена доменная структура образца для нек-рых точек петли. Для ед. объёма Ms=Js.

Магнитный Г. наблюдается в магнитоупорядоченных в-вах, напр. в ферромагнетиках. Обычно ферромагнетик разбит на домены — области однородной самопроизвольной (спонтанной) намагниченности, у к-рых намагниченность Js (магн. момент Ms ед. объёма) одинакова, но направления вектора JS различны. Под действием внеш. магн. поля число и размеры : доменов, намагниченных по полю, увеличиваются за счёт др. доменов. Кроме того, векторы Js отд. доменов могут поворачиваться по полю (см. НАМАГНИЧИВАНИЕ). На рис. 1 изображены кривые намагничивания и размагничивания ферромагн. образца при наличии Г. (петля Г.). В достаточно сильном магн. поле образец намагничивается до насыщения (точка А). При этом образец состоит из одного домена с намагниченностью насыщения Ms, направленной по полю. При уменьшении напряжённости внеш. магн. поля Н значение М будет уменьшаться по кривой I преим. за счёт возникновения и роста доменов с магн. моментом, направленным против поля. Рост доменов обусловлен движением доменных стенок. Это движение происходит скачками из-за наличия в образце разл. дефектов (примесей, неоднородностей и т. п.), на к-рых доменные стенки задерживаются; требуется заметно увеличить магн. ноле для того, чтобы их сдвинуть. Поэтому при уменьшении Н до нуля у образца сохраняется т. н. остаточная намагниченность Мr (точка В). Образец полностью размагничивается лишь в достаточно сильном поле противоположного направления, наз. коэрцитивным полем (коэрцитивной силой) Нс (точка С). При дальнейшем увеличении магн. поля обратного направления образец вновь намагничивается вдоль поля до насыщения (точка D). Перемагничпвание образца (D ®А) происходит по кривой //. Т. о., при циклич. изменении поля кривая, характеризующая изменение намагниченности образца, образует петлю магн. Г. Бели поле H циклически изменять в таких пределах, что насыщение не достигается, то получается непредельная петля магн. Г. (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.

Вид и размеры петли магн. Г., значение Нс для разл. ферромагнетиков могут меняться в широких пределах. Напр., в чистом железе Hc=1Э, в сплаве магнико Hc=580 Э. На форму петли магн. Г. сильно влияет обработка материала, при к-рой изменяется число дефектов (рис. 2).

Площадь петли магн. Г. пропорц. энергии, теряемой в образце за один цикл изменения поля. Эта энергия идёт, в конечном счёте, на нагревание образца. Такие потери энергии наз. гистерезисными. В тех случаях, когда потери на Г. нежелательны (напр., в сердечниках трансформаторов, в статорах и роторах электрич. машин), применяют магнитно-мягкие материалы, обладающие малыми значениями Hс и площади петли Г. Для изготовления магнитов постоянных применяют жёсткие магн. материалы с большой коэрцитивной силой.

С ростом частоты перем. магн. поля (числа циклов перемагничивания в ед. времени) к гистерезисным потерям добавляются др. потери, связанные с вихревыми токами и магнитной вязкостью. .

Рис. 2. Влияние механич. и термич. обработки на форму петли магн. гистерезиса железоникелевого сплава (пермаллоя): 1 — после наклёпа; 2 — после отжига: 3 — кривая магнитно-мягкого железа (для сравнения).

Соотв. площадь петли Г. при высоких частотах увеличивается. Такую петлю иногда наз. динамической, в отличие от описанной выше статич. петли.

От намагниченности зависят многие др. св-ва ферромагнетика, напр. электрич. сопротивление, механич. деформации. Изменение намагниченности вызывает изменение этих св-в. Соотв. наблюдается, напр., гальваномагнитный Г., магнитострикционный Г.

Сегнетоэлектрический Г.— неоднозначная зависимость электрич. поляризации Р сегнетоэлектрика от электрич. поля Е (рис. 3). При включении поля 23 и последующем его возрастании возникшая поляризация сначала резко увеличивается, а затем достигает насыщения Ps. С убыванием поля Е поляризация уменьшается медленнее, чем по осн. кривой Оа. При E=0 значение Р?0, оно наз. остаточной поляризацией PR. Для того чтобы уменьшить поляризацию до нуля, надо приложить электрич. поле Ec противоположного направления, его наз. к о э р ц и т и в н ы м. При дальнейшем увеличении обратного поля вновь достигается состояние насыщения Ps. При полном цикле изменения поля Е от точки а до точки b и обратно к а изменения Р графически характеризуются замкнутой кривой, наз. сегнетоэлектрической петлёй Г. .

Рис. 3. Петля диэлектрич. гистерезиса в сегнетоэлектрике: Р — поляризация образца; Е — напряжённость электрич. поля.

Поскольку с поляризацией связаны др. хар-ки сегнетоэлектриков, напр. деформация, то с сегнетоэлектрич. Г. связаны др. виды Г., напр. пьезоэлектрич. Г., Г. электрооптич. эффектов. Гистерезисные потери составляют б. ч. диэлектрических потерь в сегнетоэлектриках. .

Рис. 4. Петля упругого гистерезиса: по оси абсцисс — деформация, по оси ординат — напряжение.

Упругий Г.— отставание во времени развития деформаций упругого тела от напряжений; явл. одним из проявлений внутреннего трения в твёрдых телах. При циклич. повторении нагрузки и разгрузки тела диаграмма, изображающая напряжение s в ф-ции от деформации e, даёт петлю упругого Г. (рис. 4), площадь к-рой DU пропорц. доле энергии упругости, перешедшей в теплоту. Для оценки упругого Г. часто пользуются относит. величиной y=DU/U, где U — энергия упругой деформации (заштрихованная область на рис. 4).

Причина упругого Г. заключается в появлении в отдельных более слабых зёрнах кристалла местных пластич. деформаций, создающих в окружающей среде остаточные напряжения; эти последние при изменении нагружения тела производят местную пластич. деформацию обратного знака; в обоих случаях энергия расходуется на необратимые процессы. Кроме того, экспериментально установлена связь упругого Г. с магн. полями и магн. Г. (у ферромагн. тел), с магнитострикционным Г., межкристаллитными включениями, составом сплавов, термо- и технол. обработкой и с рядом др. факторов. Явление упругого Г. как упругого несовершенства свойственно всем телам и отмечалось даже при темп-pax, близких к абс. нулю. Оно явл. причиной затухания свободных колебаний самих упругих тел, затухания в них звука, уменьшения коэфф. восстановления при неупругом ударе и обусловливает необходимость затраты внеш. энергии для поддержания вынужденных колебаний.

Для объяснения природы упругого Г. привлекаются теория релаксации, теория дислокаций и др.