Hysteres: Definition, orsaker och exempel i fysik och teknik

Upptäck hysterese — definition, orsaker och konkreta exempel i fysik och teknik: från magnetiska material och deformationer till termostater och formminneslegeringar.

Hysterese är ett begrepp inom fysik och teknik som beskriver situationer där ett systems resultat inte bara bestäms av dess aktuella input, utan även av tidigare indata eller av ett internt tillstånd som bär minne av systemets förflutna. I praktiken innebär det att samma input kan ge olika output beroende på i vilken riktning eller efter vilken historia input har förändrats. För att förutsäga ett systems framtida utfall krävs därför kunskap om dess nuvarande inre tillstånd eller dess historik.

En vanlig mekanism bakom hysteres är en fördröjning eller tidsberoende respons mellan input och output. När förändringen i inmatningen går mycket långsamt kan denna fördröjning ofta negligeraas och hystereseffekten minska. Denna typ av effekt uppfyller definitionen av hysteres men kallas ofta för hastighetsberoende hysterese för att skilja den från hysteres som beror på bestående minnesmekanismer i materialet eller systemet.

Orsaker

• Materialegenskaper: I många fasta material uppstår hysteres genom inre strukturförändringar — exempelvis domänväggsrörelser i magnetiska material eller dipolomorientering i ferroelektriska material. Defekter, beläggningar eller inre spänningsfält kan "pinna" dessa förändringar och ge upphov till minne.
• Viskoelastiska och plastiska effekter: I polymere och gummi (t.ex. gummiband) leder tidsberoende relaxation och plastisk deformation till hysteresis i belastning–förlängningskurvor.
• Friktion och kontaktmekanik: Mikroskopisk friktion mellan ytor kan orsaka olika respons beroende på om rörelsen är framåt eller tillbaka.
• Kontroll- och elektronikdesign: Medvetet införd hysteres (deadband) i styrenheter och komponenter för att undvika fladdrande och oscillationer vid brytpunkter.

Exempel i fysik och teknik

• Magnetisk hysteres: I ferromagnetiska material visar magnetisering–fält (M–H) kurvor en sluten hysteresloop. Viktiga begrepp här är koercivitet (fältet som krävs för att avmagnetisera materialet), remanent magnetisering (magnetisering som kvarstår när fältet tas bort) och mättnadsmagnetisering. Loopens area motsvarar energiförlust per cykel (hysteresförluster).
• Ferroelektrisk hysteres: Ferroelektriska material uppvisar analoga P–E (polarisation–fält) loopar med remanent polarisation och koercitivt fält, vilket utnyttjas i icke-flyktigt minne.
• Mechanisk hysteres: Vid deformation av vissa material, till exempel gummiband eller formminneslegeringar, uppstår hysteresis i spännings–töjningskurvor. Energi går förlorad som värme vid cyklisk belastning.
• Praktiska styrkretsar: Många konstgjorda system är avsiktligt utformade för att ha hysteres, exempelvis termostater (som använder deadband för att undvika att värmaren slås av och på hela tiden) och vissa elektroniska kretsar (t.ex. Schmitt-trigger) som ger stabila utsignaler trots brus eller små variationer i input.
• Övriga exempel: Hysteres kan också uppträda i kemiska system (reaktionshastigheter vid olika tillstånd), biologiska system (t.ex. reglering där tidigare exponering påverkar respons) och i mekaniska system som hydrauliska dämpare.

Hur man karaktäriserar och mäter hysteres

• Genom att cykla input (t.ex. magnetfält, spänning, belastning) fram och tillbaka och plotta output mot input fås en hysteresloop. Loopens form och area ger information om graden av hysteres och den dissiperade energin.
• Nyckelparametrar i magnetiska och ferroelektriska system är mättnad, remanens och koercivitet. I mekaniska system tittar man på skillnader mellan last- och avlastningskurvor samt förlustfaktor.
• Man skiljer mellan quasi-stationär hysteres (när inmatningen ändras mycket långsamt) och dynamisk eller hastighetsberoende hysteres (när inmatningen varierar snabbt).

Matematiska modeller

• Flera modeller används för att beskriva hysteres i olika sammanhang: Preisach-modellen (en generaliserad modell som bygger på många elementära tvålägeshystereter), Jiles–Atherton-modellen (för magnetiska material) och Bouc–Wen-modellen (för strukturell och mekanisk hysteres).
• Rate-beroende effekter modelleras ofta genom att kombinera elastiska och viskousa termer eller genom att införa tidsberoende interna tillståndsvariabler. För styrsystem finns metoder för kompensation eller att införa hystereselement i regleralgoritmer.

Konsekvenser och åtgärder

• Nackdelar: Hysteres kan leda till energiförluster, minnesspår som orsakar oönskade avvikelser, osäkerhet i mätningar och svårigheter vid linjär modellering och styrning.
• Fördelar och användning: I många tillämpningar är hysteres önskvärt — exempelvis för att undvika frekvent omkoppling (termostater, reläer) eller för icke-flyktigt lagring i ferroelektriska och magnetiska minnen.
• Minska eller kontrollera hysteres: Välj material med låg pinning (t.ex. speciella legeringar), använd aktiv återkoppling i styrsystem, kalibrera bort effekten numeriskt eller inför kompensationsalgoritmer. I design kan man även utnyttja preconditioning (cykling) för att stabilisera egenskaperna.

Sammanfattningsvis är hysterese en grundläggande egenskap i många fysikaliska och tekniska system där historiken påverkar nuvarande respons. Förståelse av orsaker, mätning och modellering är viktig både för att utnyttja hysterese i praktiska tillämpningar och för att minimera dess negativa effekter när det är oönskat.

Frågor och svar

F: Vad är hysteres?

F: Varför påverkar historiken över tidigare input ett systems output i hysteres?

F: Vad krävs för att förutsäga framtida utdata för ett system i hysteres?

F: Vad är effekten av hysteres?

F: Försvinner effekten av hysteres när indata ändras långsammare?

F: Vad är hastighetsberoende hysteres?

F: I vilka material uppstår hysteres?

Sök med bokstav