Что такое гистерезис?

Если давать определение простыми словами, то гистерезис — это реакция предмета, поверхности или целой системы на воздействие со стороны некоего раздражителя, которая происходит с запозданием. Ключевая особенность в том, что текущее состояние системы зависит не только от действующих на неё сил в данный момент, но и от её предыстории, от того, в каком состоянии она была раньше. Другими словами, система обладает своеобразной «памятью».

Термин происходит от греческого слова «hysterēsis», означающего «отставание» или «запаздывание». Это инерционность системы, нежелание мгновенно и обратимо следовать за изменяющимися внешними условиями.

Хрестоматийным примером гистерезиса является ситуация, когда роль описывающей состояние объекта величины играет намагниченность, а роль характеризатора внешних условий — напряжённость магнитного поля. Но гистерезисное поведение присуще и большому количеству других систем.

Виды и классификация гистерезиса

Хотя явление едино по своей сути, в разных областях науки и техники выделяют различные его типы, названные по ключевой измеряемой величине.

1. Магнитный гистерезис

Самый известный и наглядный пример. Он описывает зависимость намагниченности ферромагнетика (например, железа) от напряжённости внешнего магнитного поля. Если намагничивать кусок железа, а затем уменьшать поле до нуля, железо останется намагниченным (останется остаточная намагниченность). Чтобы размагнитить его, нужно приложить поле в обратном направлении. График этой зависимости имеет форму петли, которую так и называют — петля гистерезиса. Это свойство лежит в основе работы постоянных магнитов, сердечников трансформаторов и магнитных носителей информации (жёстких дисков).

2. Сегнетоэлектрический гистерезис

Аналогичное явление наблюдается в сегнетоэлектриках — материалах, способных сохранять спонтанную поляризацию (электрический дипольный момент) в отсутствие внешнего электрического поля. Зависимость поляризации от напряжённости электрического поля также образует петлю. Это используется в ячейках памяти некоторых типов (FeRAM).

3. Упругий гистерезис

Проявляется при деформации твёрдых тел. При циклическом растяжении и сжатии (например, резины или металла) график «напряжение-деформация» также образует петлю. Энергия, равная площади этой петли, рассеивается в виде тепла. Это объясняет нагрев шин при качении или разогрев резины при многократном растяжении.

4. Трансформационный гистерезис

Наблюдается при фазовых переходах, например, при плавлении и кристаллизации. Температура затвердевания вещества часто оказывается ниже температуры его плавления. Так, вода может оставаться в переохлаждённом состоянии ниже 0°C, пока не появится центр кристаллизации.

Где встречается гистерезис?

Это явление далеко не ограничивается лабораторными условиями. Мы сталкиваемся с его проявлениями в самых разных сферах жизни.

  • В технике: Помимо примеров выше, гистерезис сознательно используется в реле и термостатах для предотвращения слишком частых срабатываний. Например, термостат холодильника включает компрессор не при +5°C, а при +7°C, а выключает не при +4°C, а при +3°C. Это «зазор» в 4 градуса — и есть гистерезис, защищающий двигатель от износа.
  • В экономике: Классический пример — безработица. После глубокого кризиса уровень безработицы часто снижается медленнее, чем растёт экономика. Работодатели не спешат нанимать новых сотрудников, «помня» о недавних трудностях. Это явление называют гистерезисом безработицы.
  • В биологии и медицине: Многие биологические системы реагируют с запаздыванием. Например, реакция зрачка на свет или адаптация сенсорных систем. Некоторые модели нейронных сетей также используют принципы гистерезиса для обработки информации.
  • В общественных процессах: Общественное мнение, традиции и привычки также обладают инерционностью. Переход к новым социальным нормам или технологиям происходит не мгновенно вслед за их появлением, а с заметным запаздыванием.

Итог

Итак, гистерезис — это фундаментальное свойство многих систем, заключающееся в запаздывании и неоднозначности реакции на внешнее воздействие, обусловленное зависимостью от предыстории. Это не просто физический курьёз, а важный принцип, который инженеры либо борются с ним (например, стремясь уменьшить потери в трансформаторах), либо cleverly используют его для создания стабильных устройств (как в термостатах). Понимание гистерезиса позволяет более точно описывать и предсказывать поведение сложных систем в самых разных областях человеческого знания.

Частые вопросы по теме

  1. Что такое петля гистерезиса и как её объяснить? Это график, показывающий несовпадение траекторий изменения состояния системы при увеличении и последующем уменьшении внешнего воздействия. Классическая петля для ферромагнетика показывает разную намагниченность при одной и той же напряжённости поля в зависимости от того, увеличивалось поле или уменьшалось.
  2. Где применяется гистерезис на практике? В терморегуляторах (холодильники, утюги, инкубаторы), в системах магнитной записи данных, в релейной защите, при создании постоянных магнитов, в некоторых типах компьютерной памяти.
  3. Что такое гистерезис в экономике? Это явление, когда состояние экономики (например, уровень безработицы или инфляции) после шока не возвращается к исходному, даже когда причины шока устранены, а формирует новое равновесие. Экономика «застревает» в новом состоянии.
  4. Чем вреден гистерезис в электротехнике? Магнитный гистерезис в сердечниках трансформаторов и электродвигателей приводит к потерям энергии на перемагничивание, которая рассеивается в виде тепла (потери на гистерезис), снижая КПД устройств.
  5. Существует ли гистерезис в биологии? Да. Например, явление гистерезиса наблюдается в механике лёгких: давление, необходимое для наполнения лёгких воздухом, отличается от давления при их опорожнении из-за свойств лёгочной ткани и сурфактанта.

Источники