Histerezis

De la Wikipedia, enciclopedia liberă

Histerezisul (în greacă υστέρησις hysterēsis, rămînere în urmă) este fenomenul prin care starea unui sistem indusă de o anumită cauză nu depinde numai de mărimea cauzei respective ci şi de stările anterioare prin care a trecut sistemul. Termenul se foloseşte mai ales în fizică, de exemplu pentru a descrie comportamentul unor materiale magnetice, la care magnetizarea la un moment dat depinde atît de cîmpul magnetic aplicat cît şi de stările de magnetizare anterioare. Fenomene similare se întîlnesc în domeniile:

• fizică:
  • electricitate
  • elasticitate
  • tranziţia lichid-solid
• automatizare
• economie
• psihologie etc.

[modifică] Magnetism

Buclă de histerezis în magnetism. Eşantionul este o bucată de oţel supusă unui cîmp magnetic sinusoidal de diferite amplitudini. Fluxul magnetic măsurat oscilează şi el, cu amplitudinea între 0,3 T şi 1,7 T.

În procesul de magnetizare a materialelor feromagnetice histerezisul se manifestă prin „rămînerea în urmă” a densităţii fluxului magnetic (mărime notată cu B) faţă de intensitatea cîmpului magnetic aplicat din exterior, H. Graficul alăturat arată cele două mărimi, măsurate într-un experiment de magnetizare în cîmp magnetic oscilant. Se observă că atunci cînd cîmpul magnetic scade pînă la zero, fluxul magnetic în oţel are o valoare nenulă, notată B_R; acest fenomen se numeşte remanenţă magnetică. Pentru a anula acest flux remanent trebuie aplicat un cîmp magnetic invers, de o valoare notată în grafic cu H_C, cîmpul magnetic coercitiv.

Au aplicaţii importante atît materialele cu un histerezis mare cît şi cele cu unul foarte mic. De exemplu magneţii permanenţi au proprietatea de a rămîne magnetizaţi tocmai datorită histerezisului. În absenţa acestuia materialul ar reveni la fluxul magnetic zero imediat ce s-ar înlătura cîmpul magnetic exterior, deci nu ar avea proprietăţile care îl caracterizează. În acelaşi fel, peliculele magnetice folosite pentru înregistrări audio, video şi de date (casete audio, benzi de magnetofon, dischete de calculator, hard-discuri, cărţi de credit etc.) se bazează pe fenomenul de remanenţă magnetică — deci pe histerezis — pentru a memora cîmpul magnetic aplicat la înregistrare. În sistemele de calcul vechi celulele de memorie funcţionau pe acelaşi principiu al histerezisului magnetic.

În schimb, aplicaţiile care cer conservarea energiei necesită un efect histerezis cît mai slab. De exemplu un transformator electric al cărui miez magnetic are histerezis va avea pierderi de energie (manifestate prin încălzirea miezului) cu atît mai mari cu cît remanenţa magnetică şi cîmpul coercitiv sînt mai mari. Pentru a minimiza acest efect se folosesc materiale speciale, ca de exemplu aliajul de nichel şi fier (uneori şi molibden) numit Permalloy.

[modifică] Automatizare

Presiunea este menţinută sub valoarea nominală.

Presiunea este menţinută în jurul valorii nominale.

În sistemele de automatizare histerezisul este introdus din design, ca o marjă asumată de eroare a unui automat, cu scopul de a reduce numărul de opriri/porniri ale unui dispozitiv.

În aproape orice sistem mecanic, de departe cele mai solicitante faze de funcţionare ale acestuia sînt oprirea, dar mai ales pornirea. Orice mecanism de orice natură este optimizat pentru starea de funcţionare în sarcină, cu toate implicaţiile (o anumită temperatură de funcţionare, o anumită stare de lubrifiere, etc). Astfel, momentul pornirii unui mecanism este un moment instabil, în care solicitările fizice sunt atipic de mari pe unitatea de timp faţă de solicitările asumate în funcţionare normală. De aceea prin proiectare se evită pe cît posibil pornirea şi oprirea repetată a oricărui mecanism.

Pentru a se evita pornirile repetate în intervale scurte de timp în cazul mecanismelor automate, se introduc în mod deliberat o anumită eroare în măsurările automatului, numită histerezis. Un exemplu reprezentativ este o pompă de apă care este proiectată să păstreze o anumită presiune într-un recipient. În graficele alăturate, presiunea este menţinută în interiorul unui anumit interval, ales astfel încît presiunea nominală să determine limita superioară (figura de sus) sau media (jos) în timp a presiunii din incintă. În lipsa unui astfel de interval pompa ar trebui să intre în funcţiune imediat ce presiunea scade cu o valoare infinitezimală sub valoarea nominală. Histerezisul însă permite o variaţie a presiunii, micşorînd frecvenţa punerilor în funcţiune ale pompei.

În general, cele mai flexibile sisteme automate permit utilizatorului reglarea valorii nominale şi a abaterilor maxime într-un sens şi cealalt faţă de aceasta.

Acelaşi principiu se aplică şi în alte sisteme de automatizare, cum ar fi termostatele (de exemplu fierul de călcat, frigiderul, aparatul de aer condiţionat), rezervoare de apă etc.

[modifică] Implementare

În sistemele de stabilizare cu comandă electronică, histerezisul se introduce în bucla de reacţie inversă care determină pornirea şi oprirea dispozitivului (pompă, rezistor de încălzire, motor). Mărimea care trebuie stabilizată (presiune, temperatură), transformată în semnal electric, este mai întîi „contaminată” cu un semnal care reflectă starea actuală a dispozitivului (oprit / pornit) şi abia apoi trimisă la etajul de comparare. Ieşirea acestuia din urmă, avînd două stări posibile, comandă pornirea şi oprirea dispozitivului.

În acest mod se produce o reacţie inversă pozitivă (dar neliniară), care generează oscilaţia de la o stare la cealaltă a dispozitivului.

În sistemele automate electro-mecanice (folosite în unele modele de fiare de călcat sau frigidere) histerezisul este produs prin utilizarea unui întrerupător cu bimetal (material alcătuit din două metale cu coeficienţi de dilatare foarte diferiţi şi care se deformează mult la variaţia temperaturii). În acest întrerupător starea actuală a sistemului şi informaţia de temperatură sînt „combinate” mecanic.