Histereza: definicija, vzroki in primeri v fiziki, materialih in napravah

Histereza je pojem v fiziki. Pri histerezi izhod sistema ni odvisen le od njegovega vhoda, temveč tudi od zgodovine preteklih vhodov. Zgodovina namreč vpliva na vrednost notranjega stanja. Za napovedovanje prihodnjih izhodov sistema je treba poznati bodisi njegovo notranje stanje bodisi njegovo zgodovino.

Kaj povzroča histerezo in njene vrste

Histereza se lahko pojavi iz več razlogov. Pogosto gre za prisotnost notranjih spremenljivk ali struktur, ki se spreminjajo počasneje kot vhod, zato je trenutni odziv tudi odvisen od preteklih stanj. Eden od pogostih mehanizmov je tudi zamik med vhodom in izhodom: zamika. Ko je tak zamik pomemben, se pojavi hitrosti odvisna oblika histereze — ta učinek izgine, ko se vhod spreminja dovolj počasi. Ta učinek ustreza zgoraj navedenemu opisu histereze, vendar ga pogosto imenujemo histereza, odvisna od hitrosti, da bi ga razlikovali od histereze s trajnejšim spominskim učinkom.

• Hitrostno odvisna histereza: prostorsko ali časovno zamujanje (viskoelastičnost, trenje, transportne zamude).
• Spominska (rate-independent) histereza: sistem ima več notranjih stanj, ki se ohranijo tudi pri zelo počasnih spremembah vhoda (npr. magnetizacija, ferroelectricnost, prehodne faze).

Primeri v materialih in napravah

Histereza je široko razširjena v naravi in tehnologiji:

• Feromagnetni materiali: pri magnetizaciji se tipično opazi B–H zanko (histerezo), kar pomeni, da pot magnetizacije ob naraščajočem magnetnem polju ni enaka poti ob padajočem polju. To vodi do magnetne remanence (ostatne magnetizacije) in koercitivnosti (polja, potrebnega za razmagnetenje). Energija, izgubljena v enem ciklu, je sorazmerna z območjem zanke.
• Feroelektrični materiali: obnašanje polarizacije glede na električno polje tvori P–E zanke s podobnimi lastnostmi kot magnetne zanke.
• Mehanska histereza: deformacija nekaterih materialov (na primer gumijastih trakov in zlitin s spominom na obliko) kaže razliko med potezami pri obremenitvi in razbremenitvi — to je vir izgube energije (ohlapno segrevanje, tlumenje).
• Elektronske komponente in krmilni sistemi: naprave kot so termostati (termostati), Schmittovi sprožilniki in nekateri algoritmi za krmiljenje namerno uporabljajo histerezo za preprečevanje stalnega vklapljanja/izklapljanja in za stabilizacijo delovanja.
• Drugi primeri: trenje in slepota v senzorjih, magnetska zapomnitvena pomnilna sredstva, biološki sistemi (npr. regulacija hormonov) in hidravlični sistemi z zamašitvami.

Kako histerezo opisujemo in modeliramo

Histerezno obnašanje je nelinearno in pogosto neinvertibilno, če poznamo le trenutni vhod. Zato se za opis pogosto uvedejo notranje spremenljivke (stanja) ali modeli, ki zasedajo zgodovino vhoda. Pogosti modeli vključujejo:

• Preisachov model — superpozicija enostavnih dvofaznih elementov (relay elementov), uporaben za opis magnetnih zank in drugih rate-independent histerez.
• Jiles–Atherton — fizično motiviran model za magnetizacijo, pogosto uporabljen za feromagnetne materiale.
• Bouc–Wen — uporaben v strukturni dinamiki in modeliranju neidealnih vzmeti s histerezo; primeren za opis mehanskega tlumenja z zankami.

Poleg modelov za rate-independent histerezo obstajajo tudi modeli, ki vključujejo odvisnost od hitrosti in viskozne člene, da zajamejo dinamično vedenje in popačitve pri hitrih spremembah vhoda.

Merjenje in značilnosti zank histereze

Histerezne zanke se pogosto prikazujejo v dvodimenzionalnem diagramu vhod–izhod (npr. B vs H za magnetizacijo, P vs E za ferroelectricnost, napetost vs deformacija za viskoelastične materiale). Ključne značilnosti so:

• Območje zanke: predstavlja energijo, izgubljeno na cikel.
• Saturacija: meja, pri kateri nadaljnje povečanje vhoda ne spremeni več izhoda.
• Remanenca in koercitivnost: pri magnetnih/feroelektričnih zankah pomembni parametri za karakterizacijo spomina materiala.
• Minorne zanke: zanke, ki nastanejo ob delovanju znotraj omejenega intervala vhoda in niso popolnoma enake glavni (major) zanki.

Praktični pomen in reševanje problemov

Histereza ima lahko koristne in nezaželene posledice:

• Uporabno: omogoča shranjevanje stanja (spominski učinki), preprečuje prekomerno stikovanje v regulatorjih (termostati, Schmittovi sprožilniki) in zagotavlja tlumenje nihanj v mehanskih sistemih.
• Nezaželeno: povzroča napake meritev, izkrivlja natančnost pogonskih sistemov, zmanjšuje učinkovitost zaradi energijskih izgub in lahko zaplete nadzor na visoki natančnosti.

Metode za zmanjšanje ali kompenzacijo nezaželene histereze vključujejo predoblikovanje (preconditioning), degaussing (pri magnetih), uporabo povratnih vezij in algoritmov za kompenzacijo histereze (modelno-upravljalni pristopi, feedforward z-inverzno modelacijo), ter izbiro materialov z manjšim histereznim vedenjem za zahtevne aplikacije.

Čeprav izraz histereza pogosto povezujemo s specifičnimi fizikalnimi sistemi, gre v jeziku fizike in inženirstva za širši koncept: vsak sistem, katerega trenutni odziv je odvisen od preteklih vhodov ali stanj, kaže histerezo. Razumevanje tega pojava je ključno za pravilno modeliranje, merjenje in načrtovanje naprav ter materialov v številnih področjih znanosti in tehnologije.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je histereza?

V: Zakaj zgodovina preteklih vhodov vpliva na izhod sistema pri histerezi?

V: Kaj je potrebno za napovedovanje prihodnjih izhodov sistema v histerezi?

V: Kakšen je učinek histereze?

V: Ali učinek histereze izgine, ko se vhodni podatki spreminjajo počasneje?

V: Kaj je histereza, odvisna od hitrosti?

V: Pri katerih materialih se histereza pojavlja?

Išči po črki