Гистерезис в электротехнике и электронике: что это такое

Терминология

Детально это можно объяснить следующим образом. Гистерезис – это условие, возникающее вследствие воздействия одной физической величины, намагниченности, на другую физическую величину из внешней среды, магнитное поле.

Такое условие можно наблюдать в том случае, если состояние предмета изменяется под давлением внешних условий в этот же и предыдущий период времени.

Нас интересует данное магнитное явление, возникающее в электротехнике

Оно является важной характеристикой для металла, из которого изготавливают сердечник электрической машины или аппарата. Давайте рассмотрим этот процесс с помощью графика

Здесь изображена первоначальная кривая намагничивания ферромагнитного материала. Подробно это можно описать так.

Изначально намагнитив сердечник вплоть до насыщения в отрезке «индукция Bs, напряженность Hs» и снизив напряженность от +Hs до 0, индукция не изменится по кривой 3, а пойдет по проходящему выше участку ABr кривой I. Намагниченность материала останется при Н=0, а поле приобретет характеристику остаточной индукции Br.

При увеличении Н от 0 до значения Н=-Hs, изменится направление тока в катушке и знак напряженности магнитного поля Н. При достижении индукцией нулевых значений при указании напряженности поля Н=Нс, что является коэрцитивной силой, изменится знак и будет достигнута индукция насыщения В=-Вs при Н=-Нs.

Намагнитившись, в течение полного цикла зависимостью B (H) описывается петля I, которая называется предельная петля магнитного гистерезиса. Исходя из величины Pc по предельной петле бывают мягкие и твердые ферромагнетики.

В практических целях это можно описать следующим образом. Проводники пропускают ток и способствуют возникновению магнитного и электрического полей вокруг него. Получение электромагнита происходит путем сматывания провода в катушку и пропуска тока. Индуктивность катушки увеличится при помещении внутри нее сердечника с увеличением сил, возникших у нее.

При использовании магнитотвердых металлов типа стали, мы заметим расширение гистерезиса. Если наш выбор остановится на мягких материалах, то будем наблюдать сужение графика.

Через катушку в цепи с переменным током будут наблюдаться движения тока в разных противоположных направлениях.

Вследствие этого все время будет происходить переворачивание полюсов. Этот процесс является одновременным в случае катушки, у которой отсутствует сердечник.

Однако при его наличии все немного изменится. Произойдет постепенное намагничивание, магнитная индукция возрастет и горизонтальный участок графика, обозначаемый как участок насыщения, будет достигнут.

Если целенаправленно менять направление тока и магнитного поля, то произойдет перемагничивание сердечника. Даже при простом выключении тока и исключении магнитного поля сердечник останется намагниченным, при этом претерпит некоторые изменения.

Для его размагничивания до первоначальных характеристик необходимо создание минусовой напряженности магнитного поля. Значит, катушка с током должны сработать в противоположную сторону.

Обратное перемагничивание происходит также, но при участии нижней ветви.

Это означает, что сердечник будет магнититься за счет части энергии в цепи переменных токов, что приведет к снижению коэффициента полезного действия электродвигателя, трансформатора и нагреву деталей.

Возникает данное явление в работе реле, в иных электромагнитных устройствах и в токе выключения и заключения.

Реле сработает и в выключенном состоянии, если подать немного тока. При включении ток заключения будет выше тока удержания. Отключение произойдет, если эти величины изменятся на прямо противоположные значения.

Как изготовить терморегулятор для инкубатора своими руками

Инкубатор – это незаменимая вещь в сельском хозяйстве, которая позволяет выводить птенцов в домашних условиях. Температуру инкубатора можно контролировать с помощью термореле. Термореле для инкубатора можно приобрести, а можно собрать самостоятельно из подручных материалов.

Существует два способа изготовления терморегулятора для инкубатора:

С использованием стабилитрона, тиристора и 4 диодов мощностью не менее 700 Вт. Регулировка температурного режима выполняться через переменный резистор с сопротивлением в диапазоне от 30 до 50 кОм. Датчиком температуры в данном приборе выступит транзистор, установленный в стеклянной трубке и размещенный на лотке с яйцами.
С использованием термостата. К корпусу термостата с помощью паяльника нужно будет прикрепить винт и связать его с контактами. Вращение винта будет регулировать температурные показатели.

Наиболее простым и доступным считается второй способ. Независимо от типа термореле, перед закладкой яиц, инкубатор необходимо прогреть, а самодельный терморегулятор настроить.

Температура и урожай – прямая связь

В самом начале нашей статьи мы хотим сразу сказать, что на урожайность растений влияет не только температура воздуха в теплице, но и температура грунта (см. Земля в теплице: выбор грунта и уход).

При этом важно понимать, что различные растения хорошо произрастают и плодоносят строго при определенной температуре

Разные растения – разная температура

Богатый урожай.

Многие наверно сталкивались с таким вопросом, что в определенный год одни растения давали богатый урожай по сравнению с другими растениями произрастающими рядом.

Все дело в температуре, для одних она была самая оптимальная, а для других или слишком высокой или слишком низкой.

Теплица – температурное преимущество

Но если на открытом грунте регулировка температуры для отдельных растений не представляется возможным, то теплица является замкнутым пространством, в котором можно с успехом регулировать температурный режим.

Правильное размещение растений – важная задача

Вот почему так важно правильно высаживать растения в теплице. Если ваша теплица имеет большой размер, то в различных ее уголках температура будет существенно разница. Этим можно с успехом пользоваться, высаживая в более теплых местах теплолюбивые растения, а в более прохладных, растения для которых данная температура является оптимальной

Более подробно о том, как выращивать разные культуры вместе, вы можете прочитать: Перцы и баклажаны в одной теплице и Выращивание огурцов и помидоров в одной теплице)

Этим можно с успехом пользоваться, высаживая в более теплых местах теплолюбивые растения, а в более прохладных, растения для которых данная температура является оптимальной. Более подробно о том, как выращивать разные культуры вместе, вы можете прочитать: Перцы и баклажаны в одной теплице и Выращивание огурцов и помидоров в одной теплице).

Температурные перепады

Как и в открытом грунте, в теплице существует перепад температуры между днем и ночью

Эта разница является очень важной. Слишком большие колебания могут негативно сказаться на растениях и привести к их болезням, а в отдельных случаях и к гибели

Что хорошо для зелени – плохо для плода

Много зелени, мало плодов.

В зависимости от вида растений, дневная температура воздуха в теплице должна быть 16 – 25 °С. Температура напрямую влияет на рост, к примеру, повышение температуры на 10 °С, увеличит рост зелени.

Не стоит радоваться, корни и плоды при этом развиваются намного хуже.

Много плодов при минимуме зелени.

Повышение до 40 °С, приводит к угнетенному состоянию и возможной гибели всего растения.

Это мы говорили о температуре воздуха.

Воздух важен – почва важна не менее

Термометр в теплице.

Температурный режим почвы тоже важен и должен находиться в пределах 14 – 25 °С, все тоже зависит от вида растения.

Если температурный режим почвы понизится и достигнет 10 °С, растение начнет испытывать фосфорное голодание.
Слишком высокая температура, превышающая 25°С, приводит к затрудненному всасыванию корнями влаги.
При правильном температурном режиме, корневая система растений развивается и функционирует правильно, что не может сказаться на хорошем самочувствии всего растения.

Температурный вопрос

Поняв, что температурный режим в теплице крайне важен и от него зависит урожайность, многие зададутся вопросом, как контролировать температуру и соблюдать самый оптимальный режим в теплице?

Автоматическое регулирование – решение температурного вопроса

Электронное устройство.

Как понятно из вышесказанного, визуальное соблюдения всех параметров, является очень сложной и ответственной задачей.

Поэтому самым верным вариантом будет оборудовать теплицу автоматикой.
Автоматическое регулирование температуры в теплице избавит вас от забот, по ежечасному контролю и измерению параметров температуры воздуха и почвы в различных местах теплицы.

Иногда температура начинает повышаться выше требуемой нормы, а вас в это время нет.

Как понизить температуру в теплице до требуемых параметров?

Автоматика приходит на помощь. В настоящее время в продаже имеется большое количество разнообразных электронных устройств, которые мы уже рассмотрели ранее (см. Терморегулятор для теплицы).

Что такое термореле с регулировкой температуры

Термореле с регулировкой температуры – это электромеханический прибор, предназначенный для контроля температуры в неагрессивной среде. Регулировка температуры посредством устройства происходит благодаря способности реле размыкать и замыкать контакты электрической цепи, в соответствии с изменениями температурного режима.

Это позволяет использовать отопительные приборы только по их фактической необходимости.

Так, например, термореле с внешними теплочувствительными датчиками можно использовать для регулирования работы отопительной системы в зависимости от погодных условий. Регулятор будет включать отопительные приборы при понижении температуры на улице ниже заданной.

Будет интересно Условия получения группы по электробезопасноси

Кроме того, термореле можно использовать для:

Управления оборудованием для нагрева воды в системах автономного отопления и горячего водоснабжения;
Автономной работы “теплого пола”, водонагревательного котла;
Автоматизации систем кондиционирования в тепличном хозяйстве;
В автоматических системах отопления погреба и других складских и подсобных помещений.

Существует несколько видов термореле. В основном, устройства различаются по исполнению. При этом, их устройство остается практически неизменным. К основным конструктивным элементам термореле относят термочувствительный датчик и терморегулятор, подающий сигнал на включение или выключение приборов обогрева и кондиционирования. Информация о фактическом и заданном температурных режимах, обычно, выводится на цифровой дисплей устройства, а светодиодный индикатор сигнализирует о рабочем состоянии реле.

Как сделать термореле своими руками

Для того, чтобы собрать надежный терморегулятор с датчиком следует:

Подготовить корпус прибора. Для этих целей можно выбрать корпус от старого электрического счётчика, автоматического выключателя.
Ко входу компаратора (помеченного знаком «+») подключить потенциометр, а минусовому инверсному входу – термодатчики типа LM335. Схема работы устройства достаточно простая. При повышении напряжения на прямом входе, транзистор подает питание на реле, а оно, в свою очередь, на нагреватель. Как только напряжение на обратном входе станет выше, чем на прямом, уровень на выходе компаратора приблизится к нулю, и реле отключится.
Создать отрицательную связь между прямым входом и выходом. Это создаст пределы включения и отключения терморегулятора.

Для питания терморегулятора можно взять катушку от старого электромеханического электросчетчика. Для получения необходимого напряжения в 12 В, нужно будет намотать на катушку 540 витков. Для этого лучше всего использовать медный провод диаметром не менее 0,4 мм.

Главным и единственным критерием определения работоспособности термостата является «петля» гистерезиса.

Идеальный термостат должен работать примерно так, как изображено на данном графике:

1. Точка открытия А должна точно соответствовать маркировке (температуре открытия).

2. Точка В соответствует максимальной амплитуде открытия и должна быть стабильна во временя эксплуатации.

3. Гистерезис (разница в открытии и закрытии при заданной температуре) должен быть минимальным, т.е петля должна выглядеть на графике «тощей», а не «толстой».

4. Со временем эксплуатации авто ß-угол не должен изменяться.

5. Отрезок А-С (начало открытия и момент полного закрытия) хорошего термостата минимален и не увеличивается со временем службы.

6. Значение точки С (полное закрытие) также должно быть нанесено на корпус термостата.

Ну, а теперь домашнее задание. Какой из новых термостатов разных производителей (V или W) с одинаковым клеймом в +92 °С Вы выберете для своей машины из представленных на графике? И можно ли выбирать термостат для своей машины только на основании выбитых цифирь или нужно обратиться за истиной все-таки к «гистерезису»?

Как говорит мой учитель, специалист по термодинамическим процессам профессор Твердислов В.А. из МГУ, все фундаментальные исследования в основных областях наук (физика, химия и т.п.) закончены, нужно только это помнить и не возвращаться в своих заблуждениях в ХIХ и ХХ века. А для этого достаточно купить кастрюльку и градусник.

Юрий Богданов

Определение

Прежде чем разобраться как работает терморегулятор, необходимо знать, что это такое гистерезис. Гистерезисом является физическое свойства вещества, материала или системы реагировать на раздражитель, возбудитель, давление с некоторым отставанием по времени. Реакция может сопровождаться частичным или полным восстановлением исходного состояния. При этом способность сопротивления на внешнее воздействие, дальнейшее восстановление зависят от свойств материала. Гистерезис любого терморегулятора — что это такое? Гистерезис терморегулятора — это разница температур между включением и отключением прибора.

Как изготовить терморегулятор для инкубатора своими руками

Существует два способа изготовления терморегулятора для инкубатора:

С использованием стабилитрона, тиристора и 4 диодов мощностью не менее 700 Вт. Регулировка температурного режима выполняться через переменный резистор с сопротивлением в диапазоне от 30 до 50 кОм. Датчиком температуры в данном приборе выступит транзистор, установленный в стеклянной трубке и размещенный на лотке с яйцами.
С использованием термостата. К корпусу термостата с помощью паяльника нужно будет прикрепить винт и связать его с контактами. Вращение винта будет регулировать температурные показатели.

Важные страницы

Набор GyverKIT – большой стартовый набор Arduino моей разработки, продаётся в России
Каталог ссылок на дешёвые Ардуины, датчики, модули и прочие железки с AliExpress у проверенных продавцов
Подборка библиотек для Arduino, самых интересных и полезных, официальных и не очень
Полная документация по языку Ардуино, все встроенные функции и макро, все доступные типы данных
Сборник полезных алгоритмов для написания скетчей: структура кода, таймеры, фильтры, парсинг данных
Видео уроки по программированию Arduino с канала “Заметки Ардуинщика” – одни из самых подробных в рунете
Поддержать автора за работу над уроками
Обратная связь – сообщить об ошибке в уроке или предложить дополнение по тексту ()

Оценка

Виды гистерезиса в физике

Что является источником магнитного поля

Для решения практических электротехнических задач следует изучить подробно магнитный гистерезис. Полное представление об аналогичных явлениях на основе физических принципов можно получить после рассмотрения сегнетоэлектрических и упругих процессов.

Магнитный гистерезис

В соответствии с базовым определением, это явление обозначает отставание намагниченности (М) материала от изменяющегося воздействия внешнего поля. Для эксперимента можно собрать схему, в которой ток пропускают через соленоид. Регулируют уровень напряженности (Н) с помощью параллельного переменного резистора. Сердечник – из ферромагнетика.

Схема экспериментальной установки

Важно! Представленные зависимости следует рассматривать в комплексе с графиком на первом рисунке. До начала эксперимента образец обладает нейтральными характеристиками

Намагниченность и напряженность равны нулю, магнитные моменты доменов расположены хаотически. После замыкания цепи и увеличения силы тока увеличивается напряженность. На рисунке показано, как одновременно с этим изменяется направленность моментов. Индукция в образце (B) равна сумме напряженности и намагниченности с корректирующим множителем (μ0):

До начала эксперимента образец обладает нейтральными характеристиками. Намагниченность и напряженность равны нулю, магнитные моменты доменов расположены хаотически. После замыкания цепи и увеличения силы тока увеличивается напряженность. На рисунке показано, как одновременно с этим изменяется направленность моментов. Индукция в образце (B) равна сумме напряженности и намагниченности с корректирующим множителем (μ0):

B = μ0*H + μ0*M.

На определенном уровне показатель μ0*M увеличивается до предельного значения. Последующее изменение напряженности внешнего поля не оказывает на него никакого влияния.

Сегнетоэлектрический гистерезис

Причина особой формы графика в этом примере – образование поляризации без приложения сил внешнего поля. Такой эффект наблюдается в определенном температурном диапазоне. Соответствующие материалы называют сегнетоэлектриками.

Сегнетоэлектрики

На первом рисунке показана петля гистерезиса, где отмечены места:

точкой «а» – состояние насыщения;
Pc – остаточная поляризованность;
-Ec– коэрцитивная сила.

На второй части (2) изображено хаотичное (а) и направленное (б) расположение доменов. Ориентацию вдоль линий электростатического поля применяют для создания конденсаторов с изменяемой емкостью.

К сведению. Как и в других веществах, при повышении температуры до уровня точки Кюри намагниченность пропадает.

Упругий гистерезис

Это явление объясняется особыми механическими свойствами отдельных материалов. Они сохраняют созданную достаточно сильным ударным воздействием форму. Типичный пример – изготовление изделий из металла с применением ковки.

Динамический гистерезис

Рассмотрим явление запаздывания ответной реакции во времени на примере механической деформации. Предположим у нас есть металлический стержень, обладающий упругой деформацией. Приложим к одному концу стержня силу, направленную в сторону другого конца, который покоится на опоре. Например, поставим стержень под пресс.

По мере возрастания давления, тело будет сжиматься. В зависимости от механических характеристик металла, реакция стержня на приложенную силу (напряжение) будет проявляться по-разному: вначале сила упругости постепенно будет возрастать, потом она резко устремится к пороговому значению. Достигнув порогового значения, сила упругого напряжения уже не сможет противодействовать возрастающему нагружению.

Гистерезис в электротехнике

В электротехнике гистерезис — это важная характеристика для материалов, из которых изготавливаются сердечники электрических машин и аппаратов. Прежде чем приступать к объяснениям, давайте рассмотрим кривую намагничивания сердечника.

Изображение на графике подобного вида называют также петлей гистерезиса.

Важно! В данном случае речь идет о гистерезисе феромагнетиков, здесь это нелинейная зависимость внутренней магнитной индукции материала от величины внешней магнитной индукции, которая зависит от предыдущего состояния элемента. При протекании тока через проводник вокруг последнего возникает магнитное и электрическое поле. Если смотать провод в катушку и пропустить через него ток, то получится электромагнит

Если поместить внутрь катушки сердечник, то её индуктивность увеличится, как и силы, возникающие вокруг неё

Если смотать провод в катушку и пропустить через него ток, то получится электромагнит. Если поместить внутрь катушки сердечник, то её индуктивность увеличится, как и силы, возникающие вокруг неё

При протекании тока через проводник вокруг последнего возникает магнитное и электрическое поле. Если смотать провод в катушку и пропустить через него ток, то получится электромагнит. Если поместить внутрь катушки сердечник, то её индуктивность увеличится, как и силы, возникающие вокруг неё.

Отчего зависит гистерезис? Соответственно сердечник изготавливается из металла, от его типа зависят его характеристики и кривая намагничивания.

Если использовать, например, каленную сталь, то гистерезис будет шире. При выборе так называемых магнитомягких материалов — график сузится. Что это значит и для чего это нужно?

Дело в том, что при работе такой катушки в цепи переменного тока ток протекает то в одном, то в другом направлении. В результате и магнитные силы, полюса постоянно переворачивается. В катушке без сердечника это происходит в принципе одновременно, но с сердечником дела обстоят иначе. Он постепенно намагничивается, его магнитная индукция возрастает и постепенно доходит до почти горизонтального участка графика, который называется участком насыщения.

После этого, если вы начнете изменять направление тока и магнитного поля, сердечник должен будет перемагнитится. Но если просто отключить ток и тем самым убрать источник магнитного поля, сердечник все равно останется намагниченным, хоть и не так сильно. На следующем графике это точка «А». Чтобы его размагнитить до исходного состояния нужно создать уже отрицательную напряженность магнитного поля. Это точка «Б». Соответственно ток в катушке должен протекать в обратном направлении.

Значение напряженности магнитного поля для полного размагничивания сердечника называется коэрцитивной силой и чем она меньше, тем лучше в данном случае.

Перемагничивание в обратном направлении будет проходить аналогично, но уже по нижней ветви петли. То есть при работе в цепи переменного тока часть энергии будет затрачиваться на перемагничивание сердечника. Это ведёт к тому что КПД электродвигателя и трансформатора снижается. Соответственно это приводит к его нагреву.

Важно! Чем меньше гистерезис и коэрцитивная сила, тем меньше потери на перемагничивание сердечника. Кроме выше описанного гистерезис характерен и для работы реле и других электромагнитных коммутационных приборов. Например, ток отключения и включения

Когда реле выключено, чтобы оно сработало нужно приложить определённый ток. При этом ток его удержания во включенном состоянии может быть намного ниже тока включения. Оно отключится только тогда, когда ток опустится ниже тока удержания

Например, ток отключения и включения. Когда реле выключено, чтобы оно сработало нужно приложить определённый ток. При этом ток его удержания во включенном состоянии может быть намного ниже тока включения. Оно отключится только тогда, когда ток опустится ниже тока удержания

Кроме выше описанного гистерезис характерен и для работы реле и других электромагнитных коммутационных приборов. Например, ток отключения и включения. Когда реле выключено, чтобы оно сработало нужно приложить определённый ток. При этом ток его удержания во включенном состоянии может быть намного ниже тока включения. Оно отключится только тогда, когда ток опустится ниже тока удержания.

Гистерезис

Гистерезис в общем понятии (от греческого – отстающий) — это свойство определенных физических, биологических и иных систем, которые реагируют на соответствующие воздействия с учетом текущего состояния, а также предыстории. Гистерезис характерен т.н. «насыщением», и различными траекториями соответствующих графиков, отмечающих состояние системы в данный момент времени. Последние, в итоге, имеют форму остроугольной петли.

Если же рассматривать конкретно электротехнику, то каждый электромагнитный сердечник после окончания воздействия электрического тока в течение некоторого времени сохраняет собственное магнитное поле, называемое остаточным магнетизмом.

Его величина зависит, прежде всего, от свойств материала: у закаленной стали она существенно выше, чем у мягкого железа.

Но, в любом случае, явление остаточного магнетизма всегда присутствует при перемагничивании сердечника, когда необходимо размагнитить его до нуля, а затем изменить полюс на противоположный.

Любое изменение направления тока в обмотке электромагнита предусматривает (из-за наличия вышеуказанных свойств материала) предварительное размагничивание сердечника. Только после этого он может поменять свою полярность — это известный закон физики.

Для перемагничивания в обратном направлении необходим соответствующий магнитный поток.

Другими словами: изменение магнитной индукции сердечника не «поспевает» за соответствующими изменениями магнитного потока, которое оперативно создает обмотка.

Вот эта временная задержка намагничивания сердечника от изменений магнитных потоков и получило название в электротехнике как гистерезис.

Каждое перемагничивание сердечника предусматривает избавление от остаточного магнетизма путем воздействия противонаправленным магнитным потоком. На практике это приводит к определенным потерям электроэнергии, которые тратятся на преодоление «неправильной» ориентации молекулярных магнитиков.

Последние проявляются в виде выделения тепла, и представляют так называемые затраты на гистерезис.

Таким образом, стальные сердечники, например, статоров или якорей электродвигателей или генераторов, а также силовых трансформаторов, должны иметь по возможности наименьшую корреляционную силу. Это позволит снизить гистерезисные потери, повысив в итоге КПД соответствующего электрического агрегата или прибора.

Сам процесс намагничивания определяется соответствующим графиком – так называемой петлей гистерезиса. Она представляет замкнутую кривую, отображающую зависимость скорости намагничивания от изменения динамики напряженности внешнего поля.

Большая площадь петли подразумевает, соответственно, и большие затраты на перемагничивание.

Также практически во всех электронных приборах наблюдается и такое явление, как тепловой гистерезис – невозвращение после прогрева аппаратуры к изначальному состоянию.

В электротехнике и электронике явление гистерезиса используется в различных магнитных носителях информации (например, триггерах Шмидта), или в специальных гистерезисных электродвигателях.

Широкое распространение этот физический эффект нашел также в различных устройствах, предназначенных для подавления различных шумов (дребезг контактов, быстрые колебания и т. п.) в процессе переключения логических схем.