ГИСТЕРЕЗИС

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 внешние условия
(напр., магнитного поля). Г. наблюдается в тех случаях, когда состояние
тела в данный момент времени определяется внешними 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 определённое время (время релаксации) и реакция тела отстаёт
от вызывающих её причин. Такое отставание тем меньше, чем медленнее изменяются
внешние условия. Однако для нек-рых процессов отставание при замедлении
изменения внешних условий не уменьшается. В этих случаях неоднозначную
зависимость величин наз. гистерезисной, а само явление - Г.

Г. наблюдается в различных
веществах и при разных физич. процессах. Наибольший интерес представляют:
магнитный Г., диэлектрич. Г. и упругий Г.

Магнитный Г. наблюдается
в магнитных материалах, напр, в ферромагнетиках. Осн. особенностью ферромагнетиков
является наличие спонтанной (самопроизвольной) намагниченности. Обычно
ферромагнетик намагничен не однородно, а разбит на домены - области однородной
спонтанной намагниченности, у к-рых величина намагниченности (магнитного
момента единицы объёма) одинакова, а направления различны. Под действием
внешнего магнитного поля число и размеры доменов, намагниченных по полю,
увеличиваются за счёт др. доменов. Кроме того, магнитные моменты отд. доменов
могут поворачиваться по полю. В результате магнитный момент образца увеличивается.

На рис, 1 изображена зависимость
магнитного момента M ферромагнитного образца от напряжённости H внешнего
магнитного поля (кривая намагничивания). В достаточно сильном магнитном
поле образец намагничивается до насыщения (при дальнейшем увеличении поля
значение M практически не изменяется, точка Л). При этом образец состоит
из одного домена с магнитным моментом насыщения Мпо полю. При уменьшении напряжённости внешнего магнитного поля H магнитный
момент образца M будет уменьшаться по кривой I преим. за счёт возникновения
и роста доменов с магнитным моментом, направленным против поля. Рост доменов
обусловлен движением доменных стенок. Это движение затруднено из-за наличия
в образце различных дефектов (примесей, неоднородностей и т. п.), к-рые
закрепляют доменные стенки в нек-рых положениях; требуются достаточно сильные
магостаточный магнитный момент; MПунктиром показана непредельная петля гистерезиса. Схематически приведена
доменная структура образца для некоторых точек петли.

Рис. 1. Петля магнитного
гистерезиса для ферромагнетика: H - напряжённость магнитного поля; M -
магнитный момент образца; Н- магнитные поля для того, чтобы их сдвинуть. Поэтому при уменьшении поля
H до нуля у образца сохраняется т. н. остаточный магнитный момент M, (точка
В).

Образец полностью размагничивается
лишь в достаточно сильном поле противоположного направления, называемом
коэрцитивным полем (коэрцитивной силой) Hc (точка С). При дальнейшем увеличении
магнитного поля обратного направления образец вновь намагничивается вдоль
поля до насыщения (точка D). Перемагничивание образца (из точки D в точку
А) происходит по кривой П. T. о., при циклическом изменении поля кривая,
характеризующая изменение магнитного момента образца, образует петлю магнитного
Г. Если поле H циклически изменять в таких пределах, что намагниченность
насыщения не достигается, то получается непредельная петля магнитного Г.
(кривая III). Уменьшая амплитуду изменения поля H до нуля, можно образец
полностью размагнитить (прийти в точку О). Намагничивание образца из точки
О происходит по кривой IV.

При магнитном Г. одному и
тому же значению напряжённости внешнего магнитного поля H соответствуют
разные значения магнитного момента M. Эта неоднозначность обусловлена влиянием
состояний образца, предшествующих данному (т. е. магнитной предысторией
образца).

Вид и размеры петли магнитного
Г., величина Hc в различных ферромагнетиках могут меняться в широких пределах.
Напр., в чистом железе Hc= 1 э, в сплаве магнико Hc= 580 э. На петлю магнитного
Г. сильно влияет обработка материала, при к-рой изменяется число дефектов
(рис. 2).

Площадь петли магнитного
Г. равна 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
маг-нитномягкие материалы, обладающие малым Hc и малой площадью петли Г.
Для изготовления постоянных магнитов, напротив, требуются магнитножёсткие
материалы с большим Hc.

С ростом частоты переменного
магнитного поля (числа циклов перемагничива-ния в единицу времени) к гистерезисным
потерям добавляются др. потери, связанные с вихревыми токами и магнитной
вязкостью. Соответственно площадь петли Г. при высоких частотах увеличивается.
Такую петлю иногда наз. динамической петлей, в отличие от описанной выше
статической петли.

От магнитного момента зависят
многие др. свойства ферромагнетика, напр, электрич. сопротивление, механич.
деформация. Изменение магнитного момента вызывает изменение и этих свойств.
Соответственно наблюдается, напр., гальваномагнитный Г., магнитострикционный
Г. Диэлектрич. Г. наблюдается обычно в сегнетоэлектриках, напр, титанате
бария. Зависимость поляризации P от напряжённости электрич. поля E в сегнетоэлектриках
(рис. 3) подобна зависимости M от H в ферромагнетиках и объясняется наличием
спонтанной электрич. поляризации, электрич. доменов и трудностью перестройки
доменной структуры. Гистерезисные потери составляют большую часть диэлектрических
потерь в сегнетоэлектриках.

	Рис. 2. Влияние механической и термической обработки на форму петли магнитного гистерезиса пер-малоя: 1 - после наклёпа; 2 - после отжига; 3 - кривая мягкого железа (для сравнения).
	Рис. 3. Петля диэлектрического гистерезиса в сегнетоэлектрике: P - поляризация образца; E - напряжённость электрического поля.
	Рис. 4. Петля гистерезиса обратного пьезоэлектрического эффекта в титанате бария: U - деформация; E - напряжённость электрического поля.
	Рис. 5. Двойная петля диэлектрического гистерезиса.
	Рис. 6. Петля упругого гистерезиса: сигма - механическое напряжение; и - деформация.

Поскольку с поляризацией
связаны др. характеристики сегнетоэлектриков, напр, деформация, то с диэлектрич.
Г. связаны др. виды Г., напр, пьезоэлёктрич. Г. (рис. 4), Г. электрооптического
эффекта. В нек-рых случаях наблюдаются двойные петли диэлектрич. Г. (рис.
5). Это объясняется тем, что под влиянием электрич. поля в образце происходит
фазовый переход с перестройкой кристаллич. структуры. Такого рода диэлектрич.
Г. тесно связан с Г. при фазовых переходах.

Упругий Г., т. е. гистерезисная
зависимость деформации и от механич. напряжения а, наблюдается в любых
реальных материалах при достаточно больших напряжениях (рис. 6). Упругий
Г. возникает всякий раз, когда имеет место пластич. (неупругая) деформация
(см. Пластичность). Пластич. деформация обусловлена перемещением дефектов,
напр, дислокаций, всегда присутствующих в реальных материалах. Примеси,
включения и др. дефекты, а также сама кристаллич. решётка стремятся удержать
дислокацию в определ. положениях в кристалле. Поэтому требуются напряжения
достаточной величины, чтобы сдвинуть дислокацию. Механич. обработка и введение
примесей приводят к закреплению дислокаций, в результате чего происходит
упрочнение материала, пластич. деформация и упругий Г. наблюдаются при
больших напряжениях. Энергия, теряемая в образце за один цикл, идёт в конечном
счете на нагревание образца. Потери на упругий Г. дают вклад во внутреннее
трение. В случае упругих деформаций, помимо гистерезисных, есть и др. потери,
напр, обусловленные вязкостью. Величина этих потерь, в отличие от гистерезисных,
зависит от частоты изменения а (или и). Иногда понятие "упругий Г." употребляется
шире - говорят о динамической петле упругого Г., включающей все потери
на данной частоте.

Лит.: Киренский Л. В., Магнетизм,
2 изд., M., 1967; Вонсовский С. В., Современное учение о магнетизме, М.-
Л., 1952; Бозорт Р., Ферромагнетизм, пер. с англ., M., 1956; Иона Ф., Шираке
Д., Сегнетоэлектрические кристаллы, пер. с англ., M., 1965; Постников В.
С., Внутреннее трение в металлах, M., 1969; Физический энциклопедический
словарь, т. 1, M., 1960. А. П. Леванюк, Д. Г. Санников.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я