Подпишитесь на наши новости
Вернуться к началу с статьи up
 

ГИСТЕРЕ́ЗИС

  • рубрика

    Рубрика: Физика

  • родственные статьи
  • image description

    В книжной версии

    Том 7. Москва, 2007, стр. 186-187

  • image description

    Скопировать библиографическую ссылку:




Авторы: Б. Н. Филиппов, Б. А. Струков, В. Н. Кузнецов

ГИСТЕРЕ́ЗИС (от греч. ὑστέρησις – от­ста­ва­ние, за­паз­ды­ва­ние), за­паз­ды­ва­ние из­ме­не­ния фи­зич. ве­ли­чи­ны, ха­рак­те­ри­зую­щей со­стоя­ние ве­ще­ст­ва, от из­ме­не­ния др. фи­зич. ве­ли­чи­ны, оп­ре­де­ляю­щей внеш­ние ус­ло­вия. Г. име­ет ме­сто в тех слу­ча­ях, ко­гда со­стоя­ние те­ла в дан­ный мо­мент вре­ме­ни оп­ре­де­ля­ет­ся внеш­ни­ми ус­ло­вия­ми не толь­ко в тот же, но и в пред­ше­ст­вую­щие мо­мен­ты вре­ме­ни. В ре­зуль­та­те для цик­лич. про­цес­са (рост и умень­ше­ние внеш­не­го воз­дей­ст­вия) по­лу­ча­ет­ся пет­ле­об­раз­ная (не­од­но­знач­ная) диа­грам­ма, ко­то­рая на­зы­ва­ет­ся пет­лёй ги­стере­зи­са. Воз­ни­ка­ет Г. в разл. ве­ще­ст­вах и при раз­ных фи­зич. про­цес­сах. Наи­боль­ший ин­те­рес пред­став­ля­ют маг­нит­ный, сег­не­то­элек­три­че­ский и уп­ру­гий гис­те­ре­зис.

Маг­нит­ный Г. – не­од­но­знач­ная за­ви­си­мость на­маг­ни­чен­но­сти $\boldsymbol M$ маг­ни­то­упо­ря­до­чен­но­го ве­ще­ст­ва (маг­не­ти­ка, напр., фер­ро- или фер­ри­маг­не­ти­ка) от внеш­не­го маг­нит­но­го по­ля $\boldsymbol H$ при его цик­лич. из­ме­не­нии (уве­ли­че­нии и умень­ше­нии). При­чи­ной су­ще­ст­во­ва­ния маг­нит­но­го Г. яв­ля­ет­ся на­ли­чие в оп­ре­де­лён­ном ин­тер­ва­ле из­ме­не­ния $\boldsymbol H$ сре­ди со­стоя­ний маг­не­ти­ка, от­ве­чаю­щих ми­ни­му­му тер­мо­ди­на­мич. по­тен­циа­ла, ме­та­ста­биль­ных со­стоя­ний (на­ря­ду со ста­биль­ны­ми) и не­об­ра­ти­мых пе­ре­хо­дов ме­ж­ду ни­ми. Маг­нит­ный Г. мож­но так­же рас­смат­ри­вать как про­яв­ле­ние маг­нит­ных ори­ен­та­ци­он­ных фа­зо­вых пе­ре­хо­дов 1-го ро­да, для ко­то­рых пря­мой и об­рат­ный пе­ре­хо­ды ме­ж­ду фа­за­ми в за­ви­си­мо­сти от $\boldsymbol H$ про­ис­хо­дят, в си­лу ука­зан­ной ме­та­ста­биль­но­сти со­стоя­ний, при разл. зна­че­ни­ях $\boldsymbol H$.

Рис. 1. Петли магнитного гистерезиса:1 – максимальная, 2 – частная; а – кривая намагничивания, б и в – кривые перемагничивания; МR – остаточная намагниченность, Нс – коэрцитивная сила, Ms – намагничен...

На рис. 1 схе­ма­ти­че­ски по­ка­за­на ти­пич­ная за­ви­си­мость $M$ от $H$ в фер­ро­маг­не­ти­ке; из со­стоя­ния $M=0$ при $H=0$ с уве­ли­че­ни­ем $H$ зна­че­ние $M$ рас­тёт (осн. кри­вая на­маг­ни­чи­ва­ния, $\it а$) и в дос­та­точ­но силь­ном по­ле $H⩾H_{\text m}$ $M$ ста­но­вит­ся прак­ти­че­ски по­сто­ян­ной и рав­ной на­маг­ни­чен­но­сти на­сы­ще­ния $M_{\text s}$. При умень­ше­нии $H$ от зна­че­ния $H_{\text m}$ на­маг­ни­чен­ность из­ме­ня­ет­ся вдоль вет­ви $\it б$ и при $H=0$ при­ни­ма­ет зна­че­ние $M=M_{\text R}$ (ос­та­точ­ная на­маг­ни­чен­ность). Для раз­маг­ни­чи­ва­ния ве­ще­ст­ва ($M=0$) не­об­хо­ди­мо при­ло­жить об­рат­ное по­ле $H= –H_{\text c}$, на­зы­вае­мое ко­эр­ци­тив­ной си­лой. Да­лее при $H=–H_{\text m}$ об­ра­зец на­маг­ни­чи­ва­ет­ся до на­сы­ще­ния ($M=–M_{\text s}$) в об­рат­ном на­прав­ле­нии. При из­ме­не­нии $H$ от $–H_{\text m}$ до $+H_{\text m}$ на­маг­ни­чен­ность из­ме­ня­ет­ся вдоль кри­вой $\it в$. Вет­ви $\it б$ и $\it в$, по­лу­чаю­щие­ся при из­ме­не­нии $H$ от $+H_{\text m}$ до $–H_{\text m}$ и об­рат­но, об­ра­зу­ют замк­ну­тую кри­вую, на­зы­вае­мую мак­си­маль­ной (или пре­дель­ной) пет­лёй Г. Вет­ви $\it б$ и $\it в$ на­зы­ва­ют­ся, со­от­вет­ст­вен­но, нис­хо­дя­щей и вос­хо­дя­щей вет­вя­ми пет­ли Г. При из­ме­не­нии $H$ на от­рез­ке $[–H_1, H_1]$ с $H_1$ за­ви­си­мость $M(H)$ опи­сы­ва­ет­ся замк­ну­той кри­вой (ча­ст­ной пет­лёй Г.), це­ли­ком ле­жа­щей внут­ри макс. пет­ли ги­сте­ре­зи­са.

Опи­сан­ные пет­ли Г. ха­рак­тер­ны для дос­та­точ­но мед­лен­ных (ква­зи­ста­ти­че­ских) про­цес­сов пе­ре­маг­ни­чи­ва­ния. От­ста­ва­ние $M$ от $H$ при на­маг­ни­чи­ва­нии и раз­маг­ни­чи­ва­нии при­во­дит к то­му, что энер­гия, при­об­ре­тае­мая маг­не­ти­ком при на­маг­ни­чи­ва­нии, не пол­но­стью от­да­ёт­ся при paзмагничивании. Те­ряе­мая за один цикл энер­гия оп­ре­де­ля­ет­ся пло­ща­дью пет­ли Г. Эти по­те­ри энер­гии на­зы­ва­ют­ся гис­те­ре­зис­ны­ми. При ди­на­мич. пе­ре­маг­ни­чи­ва­нии об­раз­ца пе­ре­мен­ным маг­нит­ным по­лем $\boldsymbol H_{\sim}$ пет­ля Г. ока­зы­ва­ет­ся ши­ре ста­ти­че­ской вслед­ст­вие то­го, что к ква­зи­рав­но­вес­ным гис­те­ре­зис­ным по­те­рям до­бав­ля­ют­ся ди­на­ми­че­ские, ко­то­рые мо­гут быть свя­за­ны с вих­ре­вы­ми то­ка­ми (в про­вод­ни­ках) и ре­лак­са­ци­он­ны­ми яв­ле­ния­ми.

Фор­ма пет­ли Г. и наи­бо­лее важ­ные ха­рак­те­ри­сти­ки маг­нит­но­го Г. (гис­те­ре­зис­ные по­те­ри, $H_с$, $M_{\text R}$ и др.) за­ви­сят от хи­мич. со­ста­ва ве­ще­ст­ва, его струк­тур­но­го со­стоя­ния и темп-ры, от ха­рак­те­ра и рас­пре­де­ле­ния де­фек­тов в об­раз­це, а сле­до­ва­тель­но, от тех­но­ло­гии его пригoтовления и по­сле­дую­щих фи­зич. об­ра­бо­ток (те­п­ло­вой, ме­ха­нич., тер­мо­маг­нит­ной и др.). С маг­нит­ным Г. свя­за­но гис­те­ре­зис­ное по­ве­де­ние це­ло­го ря­да др. фи­зич. свойств, напр. Г. маг­ни­то­стрик­ции, Г. галь­ва­но­маг­нит­ных и маг­ни­то­оп­тич. яв­ле­ний и т. д.

Сег­не­то­элек­три­че­ский Г. – не­од­но­знач­ная за­ви­си­мость ве­ли­чи­ны век­то­ра элек­трич. по­ля­ри­за­ции $\boldsymbol P$ сег­не­то­элек­три­ков от на­пря­жён­но­сти $\boldsymbol E$ внеш­не­го элек­трич. по­ля при цик­лич. из­ме­не­нии по­след­не­го. Сег­не­то­элек­три­ки об­ла­да­ют в оп­ре­де­лён­ном тем­пе­ра­тур­ном ин­тер­ва­ле спон­тан­ной (т. е. са­мо­про­из­воль­ной, воз­ни­каю­щей в от­сут­ст­вие внеш­не­го по­ля) по­ля­ри­за­ци­ей $\boldsymbol P_{сп}$. На­прав­ле­ние по­ля­ри­за­ции мо­жет быть из­ме­не­но элек­трич. по­лем, при этом зна­че­ние $\boldsymbol P$ при дан­ном $\boldsymbol E$ за­ви­сит от пре­дыс­то­рии, т. е. от то­го, ка­ким бы­ло элек­трич. по­ле в пред­ше­ст­вую­щие мо­мен­ты вре­ме­ни. Сег­не­то­элек­трич. Г. име­ет вид ха­рак­тер­ной пет­ли (пет­ля Г.), осн. па­ра­мет­ра­ми ко­то­рой яв­ля­ют­ся ос­та­точ­ная по­ля­ри­за­ция $\boldsymbol P_{ост}$ при $\boldsymbol E=0$ и ко­эр­ци­тив­ное по­ле $\boldsymbol E_к$, при ко­то­ром про­ис­хо­дит из­ме­не­ние на­прав­ле­ния (пере­клю­че­ние) век­то­ра $\boldsymbol P_{сп}$. Для со­вер­шен­ных мо­но­кри­стал­лов пет­ля Г. име­ет фор­му, близ­кую к пря­мо­уголь­ной, и $\boldsymbol P_{ост}=\boldsymbol P_{сп}$. В ре­аль­ных кри­стал­лах ос­та­точ­ная по­ля­ри­за­ция мень­ше спон­тан­ной из-за раз­биения кри­стал­ла на до­ме­ны.

Су­ще­ст­во­ва­ние сег­не­то­элек­трич. Г. сле­ду­ет из фе­но­ме­но­ло­гич. тео­рии сег­не­то­элек­трич. яв­ле­ний, в со­от­вет­ст­вии с ко­то­рой рав­но­вес­ным зна­че­ни­ям $\boldsymbol P_{сп}$ при лю­бой темп-ре ни­же темп-ры сег­не­то­элек­трич. фа­зо­во­го пе­ре­хо­да от­ве­ча­ют два сим­мет­рич­ных ми­ни­му­ма тер­мо­ди­на­мич. по­тен­циа­ла, раз­де­лён­ные по­тен­ци­аль­ным барь­е­ром. При $E=±E_к$ один из ми­ни­му­мов ис­че­за­ет, и кри­сталл ока­зы­ва­ет­ся в со­стоя­нии с оп­ре­де­лён­ным на­прав­ле­ни­ем век­то­ра $\boldsymbol P_{сп}$. При цик­лич. пе­ре­клю­че­нии спон­тан­ной по­ля­ри­за­ции пло­щадь пет­ли Г. оп­ре­де­ля­ет гис­те­ре­зис­ные по­те­ри – ко­ли­че­ст­во энер­гии элек­трич. по­ля, пе­ре­хо­дя­щей в те­п­ло­ту. Ве­ли­чи­на ко­эр­ци­тив­но­го по­ля свя­за­на так­же с про­цес­са­ми за­ро­ж­де­ния и эво­лю­ции в элек­трич. по­ле сег­не­то­элек­трич. до­ме­нов – об­лас­тей кри­стал­ла с вы­де­лен­ным элек­трич. по­лем на­прав­ле­ни­ем век­то­ра спон­тан­ной по­ля­ри­за­ции.

Рис. 2. Петля упругого гистерезиса.

Уп­ру­гий Г. – не­од­но­знач­ная за­ви­си­мость ме­ха­нического на­пря­же­ния от де­фор­ма­ции уп­ру­го­го те­ла при цик­лич. при­ло­же­нии и сня­тии на­груз­ки. Гра­фик за­ви­си­мо­сти на­пря­же­ния $σ$ от де­фор­мации $ε$ от­ли­ча­ет­ся от от­рез­ка пря­мой ли­нии, со­от­вет­ст­вую­щей за­ко­ну Гу­ка, и пред­став­ля­ет со­бой пет­лю Г. (рис. 2). Пло­щадь этой пет­ли про­пор­цио­наль­на ме­ха­нической энер­гии, ко­то­рая рас­сея­лась (пре­вра­ти­лась в те­п­ло­ту) во вре­мя цик­ла.

По­яв­ле­ние уп­ру­го­го Г. в ме­тал­лах свя­за­но с тем, что в не­ко­то­рых зёр­нах по­ли­кри­стал­ла мик­ро­на­пря­же­ния су­ще­ст­вен­но пре­вы­ша­ют ср. на­пря­же­ния в об­раз­це, что при­во­дит к по­яв­ле­нию пла­стич. де­фор­ма­ций и тем са­мым к рас­сея­нию ме­ха­нич. энер­гии. В не­ко­то­рых слу­ча­ях вклад в уп­ру­гий Г. да­ют элек­тро­маг­нит­ные яв­ле­ния.

Уп­ру­гий Г. как про­яв­ле­ние от­ли­чия ре­аль­но­го уп­ру­го­го те­ла от иде­аль­но уп­ру­го­го на­блю­да­ет­ся у всех твёр­дых тел, да­же при весь­ма низ­ких темп-рах. Уп­ру­гий Г. яв­ля­ет­ся при­чи­ной за­ту­ха­ния сво­бод­ных ко­ле­ба­ний уп­ру­гих тел, за­ту­ха­ния в них зву­ка, умень­ше­ния ко­эф. вос­ста­нов­ле­ния при не­уп­ру­гом уда­ре и др. В об­щем слу­чае от­кло­не­ние уп­ру­го­сти от иде­аль­ной вклю­ча­ет­ся в по­ня­тие внут­рен­не­го тре­ния.

Лит.: Иль­ю­шин А. А., Лен­ский В. С. Со­про­тив­ле­ние ма­те­риа­лов. М., 1959; По­ст­ни­ков В. С. Внут­рен­нее тре­ние в ме­тал­лах. 2-е изд. М., 1974. Вон­сов­ский С. В. Маг­не­тизм. М., 1984; Фи­лип­пов Б. Н., Тан­ке­ев А. П. Ди­на­ми­че­ские эф­фек­ты в фер­ро­маг­не­ти­ках с до­мен­ной струк­ту­рой. М., 1987; Стру­ков Б. А., Ле­ва­нюк А. П. Фи­зи­че­ские ос­но­вы сег­не­то­элек­три­че­ских яв­ле­ний в кри­стал­лах. М., 1995.

Вернуться к началу