Hysterese

Elektrisches Verschiebungsfeld D von a ferroelektrisch Material wie das elektrisches Feld E wird zuerst verringert und dann erhöht. Die Kurven bilden a Hystereseschleife.

Hysterese ist die Abhängigkeit des Zustands eines Systems von seiner Geschichte. Zum Beispiel a Magnet kann mehr als eine mögliche haben magnetisches Moment in einem gegebenen Magnetfeld, je nachdem, wie sich das Feld in der Vergangenheit verändert hat. Die Diagramme einer einzelnen Komponente des Moments bilden häufig eine Schleife oder Hysteresekurve, wobei je nach Änderung der Änderung einer anderen Variablen unterschiedliche Werte einer Variablen vorhanden sind. Diese Geschichte der Geschichte ist die Grundlage des Gedächtnisses in a Festplatte und die Erinnerung das behält eine Aufzeichnung der Erdmagnetfeld Größe in der Vergangenheit. Hysterese tritt in ferromagnetisch und ferroelektrisch Materialien sowie in der Verformung von Gummibänder und Form-Memory-Legierungen und viele andere natürliche Phänomene. In natürlichen Systemen ist es häufig verbunden Irreversible thermodynamische Veränderung wie zum Beispiel Phasenübergänge und mit innere Reibung; und Dissipation ist eine häufige Nebenwirkung.

Hysterese kann in gefunden werden Physik, Chemie, Ingenieurwesen, Biologie, und Wirtschaft. Es ist in viele künstliche Systeme integriert: zum Beispiel in Thermostate und Schmitt AuslöserEs verhindert unerwünschtes häufiges Schalten.

Hysterese kann eine Dynamik sein Verzögerung zwischen einem Eingang und einem Ausgang, der verschwindet, wenn der Eingang langsamer variiert; Dies ist bekannt als als rateabhängig Hysterese. Phänomene wie die magnetischen Hystereseschleifen sind jedoch hauptsächlich rateunabhängig, was eine dauerhafte Erinnerung ermöglicht.

Systeme mit Hysterese sind nichtlinearund kann mathematisch herausfordernd sein, zu modellieren. Etwas Hysteretische Modelle, so wie die PREISACH -Modell (ursprünglich auf Ferromagnetismus angewendet) und die BOUC -WEN -ModellVersuch, allgemeine Merkmale der Hysterese zu erfassen; und es gibt auch phänomenologische Modelle für bestimmte Phänomene wie die Jiles -Atherton -Modell Für Ferromagnetismus.

Etymologie und Geschichte

Der Begriff "Hysterese" ist abgeleitet ὑστέρησις, ein Altgriechisch Wort bedeutet "Mangel" oder "hinterherhinken". Es wurde 1881 von geprägt von Sir James Alfred Ewing das Verhalten magnetischer Materialien zu beschreiben.[1]

Einige frühe Arbeiten zur Beschreibung der Hysterese in mechanischen Systemen wurden von durchgeführt James Clerk Maxwell. Anschließend haben hysteretische Modelle in den Werken von Ferenc -Präisach erhebliche Aufmerksamkeit erhalten (Präsach -Modell der Hysterese), Louis Néel und Douglas Hugh Everett im Zusammenhang mit Magnetismus und Absorption. Eine formalere mathematische Systemtheorie mit Hysterese wurde in den 1970er Jahren von einer Gruppe russischer Mathematiker unter der Leitung von Russian Mathematikern entwickelt Mark Krasnosel'skii.[2]

Typen

Rateabhängig

Eine Art von Hysterese ist a Verzögerung zwischen Eingang und Ausgabe. Ein Beispiel ist a sinusförmig Eingang X (t) Das führt zu einem sinusförmigen Ausgang Y (t), aber mit einer Phasenverzögerung φ:

Ein solches Verhalten kann in linearen Systemen auftreten, und eine allgemeinere Reaktionsform ist

wo ist die sofortige Reaktion und ist der impulsive Reaktion zu einem Impuls, der aufgetreten ist Zeiteinheiten in der Vergangenheit. In dem Frequenzbereich, Eingang und Ausgabe werden durch einen Komplex zusammenhängen Generalisierte Anfälligkeit das kann berechnet werden ; es ist mathematisch gleichbedeutend mit a Übertragungsfunktion In der linearen Filtertheorie und analogen Signalverarbeitung.[3]

Diese Art von Hysterese wird oft als als bezeichnet Ratenabhängige Hysterese. Wenn der Eingang auf Null reduziert wird, reagiert der Ausgang weiterhin auf eine endliche Zeit. Dies stellt eine Erinnerung an die Vergangenheit aus, aber eine begrenzte, weil sie, wenn die Ausgabe auf Null abfällt, verschwindet. Die Phasenverzögerung hängt von der Frequenz des Eingangs ab und geht auf Null ab, wenn die Frequenz abnimmt.[3]

Wenn die ratenabhängige Hysterese auf ist dissipativ Effekte wie ReibungEs ist mit Stromverlust verbunden.[3]

Rateunabhängig

Systeme mit rateunabhängige Hysterese haben eine hartnäckig Erinnerung an die Vergangenheit, die nach dem Aussterben der Transienten übrig bleibt.[4] Die zukünftige Entwicklung eines solchen Systems hängt von der Geschichte der besuchten Staaten ab, verblasst jedoch nicht, wenn die Ereignisse in die Vergangenheit zurückgehen. Wenn eine Eingabevariable X (t) Zyklen von X0 zu X1 und wieder zurück, die Ausgabe Y (t) vielleicht Y0 anfangs aber ein anderer Wert Y2 bei der Rückkehr. Die Werte von Y (t) hängen vom Pfad der Werte ab, die X (t) durchläuft durch, aber nicht auf der Geschwindigkeit, mit der er den Weg durchquert.[3] Viele Autoren beschränken den Begriff Hysterese auf eine rateunabhängige Hysterese.[5] Hystereseffekte können mit dem charakterisiert werden PREISACH -Modell und das verallgemeinerte Prandtl -sihlinskii -Modell.[6]

In Engineering

Kontroll systeme

In Kontrollsystemen kann die Hysterese verwendet werden, um Signale so zu filtern, so dass der Ausgang weniger schnell reagiert als sonst unter Berücksichtigung der jüngsten Systemverlauf. Zum Beispiel a Thermostat Die Kontrolle eines Heizers kann die Heizung einschalten, wenn die Temperatur unter a fällt, aber nicht ausgeschaltet wird, bis die Temperatur über B. Die Heizung, wenn die Temperatur auf unter 18 ° C fällt und ausfällt, wenn die Temperatur 22 ° C überschreitet).

In ähnlicher Weise kann ein Druckschalter ausgelegt werden, um eine Hysterese aufzutreten, wobei Druckanlagen für Temperaturschwellen ersetzt werden.

Elektronische Schaltkreise

Scharfe Hystereseschleife von a Schmitt-Trigger

Oft wird ein gewisses Maß an Hysterese in einem elektronischen Schaltkreis absichtlich hinzugefügt, um unerwünschtes schnelles Schalten zu verhindern. Diese und ähnliche Techniken werden verwendet, um auszugleichen Wenden Sie sich an Bounce in Schaltern oder Lärm in einem elektrischen Signal.

A Schmitt-Trigger ist eine einfache elektronische Schaltung, die diese Eigenschaft zeigt.

A Relais verriegelt verwendet a Magnet Um einen Ratschenmechanismus zu betreiben, der das Relais auch dann geschlossen hält, wenn die Stromversorgung des Relais beendet wird.

Die Hysterese ist für die Arbeitsweise einiger wesentlich Memristoren (Schaltungskomponenten, die sich "erinnern", ändert sich im Strom, der durch sie führt, indem sie ihren Widerstand ändern).[7]

Hysterese kann verwendet werden, wenn Elemente von Elementen angeschlossen werden Nanoelektronikelektrochrome Zellen und Speichereffekt Geräte verwenden passive Matrixadressierung. Verknüpfungen werden zwischen benachbarten Komponenten hergestellt (siehe Übersprechen) und die Hysterese hilft, die Komponenten in einem bestimmten Zustand zu halten, während die anderen Komponenten die Zustände ändern. Somit können alle Zeilen gleichzeitig anstatt einzeln behandelt werden.

Im Bereich der Audioelektronik, a Geräuschtor Implementiert die Hysterese oft absichtlich, um zu verhindern, dass das Tor "plaudert" wird, wenn Signale in der Nähe seines Schwellenwerts angewendet werden.

UI-Design

Eine Hysterese wird manchmal absichtlich hinzugefügt zu Computeralgorithmen. Das Feld von UI-Design hat den Begriff Hysterese geliehen, um sich auf Zeiten zu beziehen, in denen sich der Status der Benutzeroberfläche absichtlich hinter der scheinbaren Benutzereingabe zurückbleibt. Beispielsweise kann ein Menü, das als Reaktion auf ein Maus-Over-Ereignis gezeichnet wurde, für einen kurzen Moment auf dem Bildschirm bleiben, nachdem die Maus aus dem Triggerbereich und der Menüregion herausgezogen wurde. Auf diese Weise kann der Benutzer die Maus direkt in ein Element auf dem Menü verschieben, auch wenn ein Teil dieses direkten Mauswegs außerhalb des Triggerbereichs und der Menüregion liegt. Zum Beispiel erstellt der rechte Klick auf den Desktop in den meisten Windows-Schnittstellen ein Menü, das dieses Verhalten ausweist.

Aerodynamik

Im AerodynamikEs kann eine Hysterese beobachtet werden, wenn der Antragswinkel eines Flügels nach dem Stall in Bezug auf die Auftriebs- und Widerstandskoeffizienten verringert wird. Der Anstellwinkel, bei dem der Fluss auf dem Flügelreattaches im Allgemeinen niedriger ist als der Anstellwinkel, bei dem sich der Fluss während der Erhöhung des Anstellwinkels trennt.[8]

Rückschlag

Bewegliche Teile innerhalb von Maschinen wie den Komponenten von a AusrüstungszugNormalerweise haben Sie eine kleine Lücke zwischen ihnen, um Bewegung und Schmierung zu ermöglichen. Infolge dieser Lücke wird jede Umkehrung der Richtung eines Antriebsteils nicht sofort an den angetriebenen Teil weitergegeben.[9] Diese unerwünschte Verzögerung wird normalerweise so klein wie praktikabel gehalten und normalerweise genannt Rückschlag. Die Menge an Gegenreaktion nimmt mit der Zeit zu, wenn sich die beweglichen Teile abnutzen.

In Mechanik

Elastische Hysterese

Elastische Hysterese eines idealisierten Gummibandes. Der Bereich in der Mitte der Hystereseschleife ist die durch innere Reibung abgelehnte Energie.

In der elastischen Hysterese von Gummi ist der Bereich in der Mitte einer Hystereseschleife die durch Material verletzte Energie innere Reibung.

Die elastische Hysterese war eine der ersten Arten von Hysterese, die untersucht wurden.[10][11]

Der Effekt kann mit a nachgewiesen werden Gummiband mit Gewichten daran. Wenn die Oberseite eines Gummibandes an einem Haken aufgehängt wird und kleine Gewichte nacheinander an der Unterseite des Bandes befestigt sind, dehnt sie sich und wird länger. Da sind mehr Gewichte geladen Darauf wird sich die Band weiter ausdehnen, da die Kraft, die die Gewichte auf die Band ausüben, zunimmt. Wenn jedes Gewicht abgenommen wird, oder entladenDas Band wird sich zusammenziehen, wenn die Kraft reduziert ist. Mit dem Abbau der Gewichte, jedes Gewicht, das eine bestimmte Länge erzeugte, da es auf das Band geladen wurde, transportiert sich jetzt weniger zusammen, was eine etwas längere Länge ergibt, wenn es entladen wird. Dies liegt daran, dass die Band nicht gehorcht Hookes Gesetz perfekt. Die Hystereseschleife eines idealisierten Gummibandes ist in der Abbildung dargestellt.

In Bezug auf die Kraft war das Gummiband schwerer zu dehnen, als es geladen wurde, als wenn es entladen wurde. In Bezug auf die Zeit, wenn das Band entladen wird, blieb der Effekt (die Länge) hinter der Ursache (die Kraft der Gewichte) zurück . In Bezug auf die Energie wurde während der Belastung mehr Energie benötigt als das Entladen, wobei die überschüssige Energie als Wärmeenergie abgeleitet wurde.

Die elastische Hysterese ist ausgeprägter, wenn das Laden und Entladen schnell durchgeführt wird, als wenn es langsam erfolgt.[12] Einige Materialien wie harte Metalle zeigen unter einer mäßigen Belastung keine elastische Hysterese, während andere harte Materialien wie Granit und Marmor dies tun. Materialien wie Gummi weisen einen hohen Grad an elastischer Hysterese auf.

Wenn die intrinsische Hysterese von Gummi gemessen wird, kann das Material als Gas verhalten werden. Wenn ein Gummiband gedehnt wird, erwärmt es sich, und wenn es plötzlich freigesetzt wird, kühlt es sich wahrnehmbar ab. Diese Effekte entsprechen einer großen Hysterese aus dem thermischen Austausch mit der Umwelt und einer kleineren Hysterese aufgrund interner Reibung innerhalb des Gummi. Diese richtige, intrinsische Hysterese kann nur dann gemessen werden, wenn das Gummiband adiabatisch isoliert ist.

Kleine Fahrzeugsuspensionen verwenden Gummi (oder andere Elastomere) Kann die doppelte Funktion von Fespred und Dämpfung erreichen, da Gummi im Gegensatz zu Metallfedern eine ausgestellte Hysterese ausgestattet ist und nicht die gesamte absorbierte Kompressionsenergie am Rückprall zurückgibt. Mountainbikes habe die Elastomer -Suspension benutzt, ebenso wie das Original Mini Wagen.

Die Hauptursache von Rollwiderstand Wenn ein Körper (wie ein Ball, Reifen oder Rad) auf einer Oberfläche rollt, ist Hysterese. Dies wird dem zugeschrieben Viskoelastische Eigenschaften des Materials des rollenden Körpers.

Kontaktwinkelhysterese

Das Kontaktwinkel Zwischen einer flüssigen und festen Phase zeigt eine Reihe von Kontaktwinkeln, die möglich sind. Es gibt zwei gemeinsame Methoden zur Messung dieses Kontaktwinkelbereichs. Die erste Methode wird als Kippbasismethode bezeichnet. Sobald ein Tropfen mit der Oberfläche auf der Oberfläche abgegeben wird, wird die Oberfläche dann von 0 ° auf 90 ° gekippt. Wenn der Tropfen geneigt ist, befindet sich die Abfahrt in einem Zustand unmittelbar bevorstehender Benetzungen, während sich die bergaufbezogene Seite in einem Zustand unmittelbar bevorstehender Enttäuschung befindet. Wenn die Neigung erhöht wird, nimmt der Kontaktwinkel zu und stellt den fortschreitenden Kontaktwinkel dar, während die bergaufe Seite abnimmt. Dies ist der zurückgehende Kontaktwinkel. Die Werte für diese Winkel kurz vor der Abfallfreisetzung repräsentieren normalerweise die fortschreitenden und zurückgehenden Kontaktwinkel. Der Unterschied zwischen diesen beiden Winkeln ist die Kontaktwinkelhysterese.

Die zweite Methode wird häufig als Methode hinzufügen/entfernen. Wenn das maximale Flüssigkeitsvolumen ohne die aus dem Tropfen entfernt wird Grenzflächenbereich Die Verringerung des zurückgehaltenen Kontaktwinkels wird somit gemessen. Wenn das Volumen maximal vor dem Grenzflächenbereich erhöht wird, ist dies das Vorrücken des Kontaktwinkels. Wie bei der Tilt -Methode ist der Unterschied zwischen dem Fortschritt und dem zurückgehenden Kontaktwinkel die Kontaktwinkelhysterese. Die meisten Forscher bevorzugen die Neigungsmethode; Für die Methode hinzufügen/entfernen müssen eine Spitze oder eine Nadel in den Tropfen eingebettet bleiben, was die Genauigkeit der Werte beeinflussen kann, insbesondere den zurückgehenden Kontaktwinkel.

Blasenformhysterese

Die Gleichgewichtsformen von Bläschen Erweiterung und Vertrag über Kapillaren (stumpfe Nadeln) kann eine Hysterese aufweisen, abhängig von der relativen Größe der Maximaler Kapillardruck zum Umgebungsdruck und die relative Größe des Blasenvolumens beim maximalen Kapillardruck zum toten Volumen im System.[13] Die Blasenformhysterese ist eine Folge von Gas Kompressibilität, was dazu führt, dass sich die Blasen über Expansion und Kontraktion unterschiedlich verhalten. Während der Ausdehnung werden Blasen einen großen Gleichgewichtssprung in Volumen unterliegen, während die Blasen während der Kontraktion stabiler sind und einen relativ geringeren Volumensprung durchführen, was zu einer Asymmetrie über Expansion und Kontraktion führt. Die Blasenformhysterese ähnelt qualitativ der Adsorptionshysterese, und wie bei der Kontaktwinkelhysterese spielen die Grenzflächeneigenschaften eine wichtige Rolle bei der Blasenformhysterese.

Die Existenz der Blasenformhysterese hat wichtige Konsequenzen in Grenzflächen -Rheologie Experimente mit Blasen. Infolge der Hysterese können nicht alle Größen der Blasen auf einer Kapillare gebildet werden. Ferner führt die Gaskompressibilität, die die Hysterese verursacht, zu unbeabsichtigten Komplikationen in der Phasenbeziehung zwischen den angewendeten Änderungen des Grenzflächenbereichs und den erwarteten Grenzflächenspannungen. Diese Schwierigkeiten können vermieden werden, indem experimentelle Systeme entworfen werden, um die Hysterese der Blasenform zu vermeiden.[13][14]

Adsorptionshysterese

Hysterese kann auch während der physischen Auftritt auftreten Adsorption Prozesse. In dieser Art von Hysterese ist die Menge adsorbiert, wenn Gas hinzugefügt wird, als wenn es entfernt wird. Die spezifischen Ursachen für die Adsorptionshysterese sind immer noch ein aktives Forschungsbereich, sind jedoch mit Unterschieden in den Keimbildung und Verdunstungsmechanismen in Mesoporen verbunden. Diese Mechanismen werden durch Effekte wie z. Hohlraumbildung und Porenblockierung.

Bei der physischen Adsorption ist die Hysterese ein Beweis für Mesoporosität-Indant ist die Definition von Mesoporen (2–50 nm) mit dem Aussehen (50 nm) und dem Verschwinden (2 nm) der Mesoporosität in Stickstoffadsorptionsisothermen als Funktion des Kelvin -Radius verbunden.[15] Eine Adsorptions-Isotherme, die Hysterese zeigt, wird als vom Typ IV (für ein benetzendes Adsorbat) oder vom Typ V (für ein nicht träge Adsorbat) bezeichnet, und die Hystereseschleifen selbst werden nach der Art und Weise klassifiziert, wie symmetrisch die Schleife ist.[16] Adsorptionshysterese -Schleifen haben auch die ungewöhnliche Eigenschaft, dass es möglich ist, innerhalb einer Hystereseschleife zu scannen, indem die Adsorptionsrichtung auf einem Punkt auf der Schleife umgekehrt wird. Die resultierenden Scans werden als "Kreuzung" bezeichnet, "konvergierende" oder "Rückkehr", abhängig von der Form der Isothermen an diesem Punkt.[17]

Matric -Potential Hysterese

Die Beziehung zwischen Matric Wasserpotential und Wassergehalt ist die Grundlage der Wasserretentionskurve. Matrizpotential Messungen (ψm) werden in den volumetrischen Wassergehalt (θ) umgewandelt, der auf einer Stelle oder einer bodenspezifischen Kalibrierungskurve basiert. Hysterese ist eine Quelle für den Messfehler des Wassergehalts. Die Hysterese des matrischen Potentials ergibt sich aus Unterschieden im Benetzungsverhalten, wodurch ein trockenes Medium erneut eingesetzt wird. Das heißt, es hängt von der Sättigungsgeschichte des porösen Mediums ab. Hysteretisches Verhalten bedeutet, dass beispielsweise bei einem matrischen Potential (ψm) von 5 kPaDer volumetrische Wassergehalt (θ) einer feinen sandigen Bodenmatrix könnte zwischen 8% und 25% liegen.[18]

Tensiometer werden direkt von dieser Art von Hysterese beeinflusst. Zwei weitere Arten von Sensoren zur Messung des Bodenwassermatric -Potentials werden auch durch Hystereseffekte innerhalb des Sensors selbst beeinflusst. Resistenzblöcke, sowohl Nylon- als auch Gipsbasis, messen das Matrizpotential als Funktion des elektrischen Widerstands. Die Beziehung zwischen dem elektrischen Widerstand des Sensors und dem matrischen Sensorpotential ist hysteretisch. Thermoelemente messen das Matrizpotential als Funktion der Wärmeableitung. Die Hysterese tritt auf, da die gemessene Wärmeableitung vom Sensorwassergehalt abhängt und die Beziehung zwischen Sensorwassergehalt und matrischer Potential hysteretisch ist. Ab 2002Es werden normalerweise nur Desorptionskurven während der Kalibrierung von gemessen Bodenfeuchtigkeitssensoren. Trotz der Tatsache, dass es eine Quelle für einen signifikanten Fehler sein kann, wird der sensorspezifische Effekt der Hysterese im Allgemeinen ignoriert.[19]

In Materialien

Magnetische Hysterese

Theoretisches Modell von Magnetisierung m gegen Magnetfeld h. Ab dem Ursprung ist die Aufwärtskurve die anfängliche Magnetisierungskurve. Die Abwärtskurve nach der Sättigung zusammen mit der unteren Rückkehrkurve bilden die Hauptschleife. Die Abschnitte hc und mRs sind die Koerzivität und Sättigungsverletzung.

Wenn ein äußeres Magnetfeld wird auf a angewendet ferromagnetisches Material wie zum Beispiel Eisen, der Atomic Domänen sich damit ausrichten. Selbst wenn das Feld entfernt wird, wird ein Teil der Ausrichtung erhalten: Das Material ist geworden magnetisiert. Sobald der Magnet magnetisiert ist, bleibt er auf unbestimmte Zeit magnetisiert. Zu entmagnetisieren Es benötigt Wärme oder ein Magnetfeld in die entgegengesetzte Richtung. Dies ist der Effekt, der das Speicherelement in a liefert Festplatte.

Die Beziehung zwischen Feldstärke H und Magnetisierung M ist in solchen Materialien nicht linear. Wenn ein Magnet entmagnetisiert ist (H = m = 0) und die Beziehung zwischen H und M wird aufgetragen, um die Feldstärke zu erhöhen, M folgt dem anfängliche Magnetisierungskurve. Diese Kurve nimmt zuerst schnell zu und nähert sich dann einer Asymptote genannt magnetische Sättigung. Wenn das Magnetfeld jetzt monoton reduziert wird, M folgt einer anderen Kurve. Bei Nullfeldstärke wird die Magnetisierung vom Ursprung durch eine Menge genannt Erinnerung. Wenn die HM Die Beziehung wird für alle Stärken des angelegten Magnetfelds aufgetragen. Das Ergebnis ist eine Hystereseschleife, die als die genannt wird Hauptschleife. Die Breite des mittleren Abschnitts ist doppelt so Koerzivität des Materials.[20]

Ein genauerer Blick auf eine Magnetisierungskurve zeigt im Allgemeinen eine Reihe kleiner, zufälliger Sprünge in der Magnetisierung genannt Barkhausen Jumps. Dieser Effekt ist auf Kristallographische Defekte wie zum Beispiel Versetzungen.[21]

Magnetische Hystereseschleifen sind nicht ausschließlich Materialien mit ferromagnetischer Ordnung. Andere magnetische Ordnung, wie z. Glasspin Bestellung, auch dieses Phänomen aufweisen.[22]

Physischer Ursprung

Das Phänomen der Hysterese in ferromagnetisch Materialien sind das Ergebnis von zwei Effekten: Rotation von Magnetisierung und Änderungen in der Größe oder Anzahl der Anzahl von Magnetische Domänen. Im Allgemeinen variiert die Magnetisierung (in Richtung, aber nicht in Größe) über einen Magneten, aber in ausreichend kleinen Magneten, nicht. In diesen Einzeldomäne Magnete, die Magnetisierung reagiert auf ein Magnetfeld durch Drehen. Einzeldomänenmagnete werden überall dort verwendet, wo eine starke stabile Magnetisierung erforderlich ist (zum Beispiel, Magnetische Aufzeichnung).

Größere Magnete werden in Regionen unterteilt genannt Domänen. In jeder Domäne variiert die Magnetisierung nicht; Aber zwischen den Domänen sind relativ dünn Domänenwände in der sich die Magnetisierungsrichtung von der Richtung einer Domäne zum anderen dreht. Wenn sich das Magnetfeld ändert, bewegen sich die Wände und ändern die relativen Größen der Domänen. Weil die Domänen nicht in die gleiche Richtung magnetisiert sind, die magnetisches Moment Das Volumen des Einheitseinheiten ist kleiner als in einem Einzel-Domänen-Magneten; Domänenwände beinhalten jedoch nur einen kleinen Teil der Magnetisierung, sodass es viel einfacher ist, das magnetische Moment zu ändern. Die Magnetisierung kann sich auch durch Addition oder Subtraktion von Domänen ändern (genannt Keimbildung und Denukleation).

Magnetische Hysteresemodelle

Die bekanntesten empirischen Modelle in der Hysterese sind Preisach und Jiles-Atherton-Modelle. Diese Modelle ermöglichen eine genaue Modellierung der Hystereseschleife und werden in der Branche häufig verwendet. Diese Modelle verlieren jedoch die Verbindung mit der Thermodynamik und die Energiekonsistenz ist nicht sichergestellt. Ein neueres Modell mit einer konsequenteren thermodynamischen Fundament ist das vektorielle inkrementelle nicht konservative konsistente Hysterese (VInch) -Modell von Lavet et al. (2011)[23]

Anwendungen

Es gibt eine Vielzahl von Anwendungen der Hysterese in Ferromagnets. Viele davon nutzen ihre Fähigkeit, beispielsweise ein Gedächtnis zu behalten Magnetband, Festplatten, und Kreditkarten. In diesen Anwendungen, schwer Magnete (hohe Zwang) wie Eisen sind wünschenswert, so dass das Gedächtnis nicht leicht zu löschen ist.

Magnetisch Sanft (niedrige Koerzität) Eisen wird für die Kerne in verwendet Elektromagnetze. Die niedrige Koerzivität verringert diesen mit der Hysterese verbundenen Energieverlust. Der niedrige Energieverlust während einer Hystereseschleife ist auch der Grund, warum Weicheisen für Transformatorkerne und Elektromotoren verwendet wird.

Elektrische Hysterese

Elektrische Hysterese tritt typischerweise in ferroelektrisch Material, bei dem Domänen der Polarisation zur Gesamtpolarisation beitragen. Polarisation ist die Elektrischer Dipolmoment (entweder C·m–2 oder C·m). Der Mechanismus, eine Organisation der Polarisation in Domänen, ähnelt der der magnetischen Hysterese.

Übergänge von flüssigen Fesseln-Phasen

Die Hysterese manifestiert sich in Zustandsübergängen, wenn Schmelztemperatur und Gefriertemperatur stimmen nicht zu. Zum Beispiel, Agar schmilzt bei 85 ° C (185 ° F) und verfestigt sich von 32 bis 40 ° C (90 bis 100 ° F). Dies bedeutet, dass nach dem Schmelzen von Agar bei 85 ° C einen flüssigen Zustand bis zum Abkühlen auf 40 ° C behält. Daher kann der Agar von den Temperaturen von 40 bis 85 ° C entweder fest oder flüssig sein, je nachdem, welcher Zustand zuvor war.

In Biologie

Zellbiologie und Genetik

Die Hysterese in der Zellbiologie folgt häufig Bistelle Systeme wobei der gleiche Eingangszustand zu zwei verschiedenen, stabilen Ausgängen führen kann. Wenn Bistabilität zu digitalen, schalträglichen Ausgaben aus den kontinuierlichen Eingaben chemischer Konzentrationen und Aktivitäten führen kann, macht die Hysterese diese Systeme resistenter gegen Rauschen. Diese Systeme sind häufig durch höhere Werte des Eingangs gekennzeichnet, die erforderlich sind, um in einen bestimmten Zustand zu wechseln, im Vergleich zu der Eingabe, die erforderlich ist, um im Zustand zu bleiben, und ermöglicht einen Übergang, der nicht kontinuierlich reversibel ist, und somit weniger anfällig für Rauschen.

Zellen unterziehen sich Zellteilung zeigen eine Hysterese, als es eine höhere Konzentration von nimmt Cyclin um sie von der G2 -Phase in die Phase zu wechseln Mitose als einmal begonnen in Mitose zu bleiben.[24] [25]

Biochemische Systeme können auch eine hystereseartige Leistung zeigen, wenn sich langsam variierende Zustände, die nicht direkt überwacht werden, wie im Fall des Zellzyklusstillstands in Hefe, die dem Paarungspheromon ausgesetzt sind, betroffen sind.[26] Hier hängt die Dauer des Zellzyklusstillstands nicht nur vom endgültigen Niveau der Eingangsfus3 ab, sondern auch von den zuvor erreichten FUS3 -Werten. Dieser Effekt wird aufgrund der langsameren Zeitskalen erzielt der vorübergehende Wert. Experimente in dieser Art von Hysterese profitieren von der Fähigkeit, die Konzentration der Eingaben mit der Zeit zu ändern. Die Mechanismen werden häufig aufgeklärt, indem die unabhängige Kontrolle der Konzentration des Schlüssel -Zwischenprodukts beispielsweise unter Verwendung eines induzierbaren Promotors verwendet wird.

Darlington in seinen klassischen Werken auf Genetik[27][28] diskutierte Hysterese der Chromosomen, mit dem er "Versagen der äußeren Form der Chromosomen, sofort auf die inneren Belastungen aufgrund von Veränderungen in ihrer molekularen Spirale zu reagieren" meinte, da sie in einem etwas starre Medium im begrenzten Raum des begrenzten Raums liegen Zellkern.

Im Entwicklungsbiologie, Zelltypvielfalt wird durch langererwirkende Signalmoleküle reguliert, die genannt werden Morphogene Das Muster gleichmäßige Zellenpools in Konzentrations- und zeitabhängiger Weise. Das Morphogen Sonic Hedgehog (Shh) zum Beispiel handelt auf Gliedmaßenknospe und neuronale Vorläufer, um die Expression eines Satzes von zu induzieren Homeodomain-klang Transkriptionsfaktoren um diese Gewebe in verschiedene Domänen zu unterteilen. Es wurde gezeigt, dass diese Gewebe ein "Gedächtnis" der vorherigen Exposition gegenüber SHH haben.[29] Im neuronalen Gewebe wird diese Hysterese durch einen Homodomain (HD) -Verkopplungskreis reguliert, der die SHH -Signalübertragung verstärkt.[30] In diesem Schaltkreis, Ausdruck von Gli Transkriptionsfaktoren, die Testamentsvollstrecker des SHH -Weges, werden unterdrückt. GLIS werden in Abwesenheit von SHH zu Repressorformen (Glir) verarbeitet, aber in Gegenwart von SHH wird ein Anteil von GlI . Durch die Reduzierung der GLI -Expression verringern die HD -Transkriptionsfaktoren die Gesamtmenge von Gli (Glit), sodass ein höherer Anteil des GlaS für die gleiche SHH -Konzentration als Glia stabilisiert werden kann.

Immunologie

Es gibt einige Beweise dafür T -Zellen Zeigen Sie eine Hysterese, als es einen niedrigeren Signalschwellenwert erfordert, um zuvor aktivierte T -Zellen zu aktivieren. Die RAS -Aktivierung ist für nachgeschaltete Effektorfunktionen von aktivierten T -Zellen erforderlich.[31] Das Auslösen des T-Zell-Rezeptors induziert hohe RAS-Aktivierungspiegel, was zu höheren Spiegeln an GTP-gebundenen (aktiven) Ras an der Zelloberfläche führt. Da sich an der Zelloberfläche in T -Zellen, die zuvor durch starkes Engagement des T -Zellrezeptors stimuliert wurden Höhere Spiegel an bereits aktiviertem RAS im Vergleich zu einer naiven Zelle.

Neurowissenschaften

Das Eigentum, durch das einige Neuronen Kehren Sie nicht zu ihren basalen Bedingungen aus einer stimulierten Erkrankung zurück, unmittelbar nach der Entfernung des Stimulus ist ein Beispiel für die Hysterese.

Atemphysiologie

Die Lungenhysterese ist bei der Beobachtung der Einhaltung einer Lunge zur Inspiration im Vergleich zu Ablauf offensichtlich. Der Unterschied in der Einhaltung (Δvolume/Δpressur) ist auf die zusätzliche Energie zurückzuführen, die zur Überwindung von Oberflächenspannungskräften während der Inspiration zur Rekrutierung und Aufblasen zusätzlicher Alveolen erforderlich ist.[32]

Das transpulmonaler Druck VS Volumenkurve der Inhalation unterscheidet sich vom Druck gegen die Druckvolumenkurve des Ausatmens, wobei der Unterschied als Hysterese beschrieben wird. Das Lungenvolumen bei einem bestimmten Druck während des Inhalation ist geringer als das Lungenvolumen bei einem bestimmten Druck während des Ausatmens.[33]

Sprach- und Sprachphysiologie

Ein Hystereseeffekt kann beim Einsetzen des Aussagens im Vergleich zu Offset beobachtet werden.[34] Der Schwellenwert des Subglottaldrucks, der zum Starten der Vokalfalbration erforderlich ist, ist niedriger als der Schwellenwert, bei dem die Schwingung stoppt, wenn andere Parameter konstant gehalten werden. In Äußerungen von Vokal-voiciclosen-Konsonanten-Vokal-Vokal-Sequenzen während der Sprache ist der intraorale Druck beim Stimmbeginn des zweiten Vokals niedriger als der Sprachversatz des ersten Vokals, der orale Luftstrom ist niedriger, der Transglottaldruck größer und der Glettral Breite ist kleiner.

Ökologie und Epidemiologie

Die Hysterese ist ein häufig auftretendes Phänomen in Ökologie und Epidemiologie, bei dem das beobachtete Gleichgewicht eines Systems nicht ausschließlich auf Umgebungsvariablen vorhergesagt werden kann, sondern auch die Kenntnis der Vergangenheit des Systems erfordert. Bemerkenswerte Beispiele sind die Theorie von Fichtenknospenwurm Ausbrüche und Verhaltenseffekte auf die Krankheitsübertragung.[35]

Es wird allgemein in Bezug auf untersucht Kritische Übergänge zwischen Ökosystemen oder Gemeinschaftstypen, in denen dominante Konkurrenten oder ganze Landschaften in weitgehend irreversibler Weise sich ändern können.[36][37]

In Ozean und Klimakissenschaft

Komplex Ozean und Klimamodelle verlassen sich auf das Prinzip.[38][39]

In Wirtschaft

Wirtschaftssysteme können Hysterese aufweisen. Zum Beispiel, Export Die Leistung unterliegt starke Hystereseffekte: Aufgrund der festen Transportkosten kann es einen großen Vorstoß erfordern, um die Exporte eines Landes zu starten. Sobald der Übergang jedoch durchgeführt wurde, ist möglicherweise nicht viel erforderlich, um sie am Laufen zu halten.

Wenn ein negativer Schock die Beschäftigung in einem Unternehmen oder einer Branche verringert, bleiben weniger beschäftigt. Wie normalerweise haben die beschäftigten Arbeitnehmer die Befugnis, Löhne festzulegen Gleichgewichtslohn Level, wo das Angebot und die Nachfrage von Arbeitnehmern übereinstimmen würden. Dies verursacht Hysterese: Die Arbeitslosigkeit wird nach negativen Schocks dauerhaft höher.[40][41]

Dauerhaft höhere Arbeitslosigkeit

Die Idee der Hysterese wird ausführbar im Bereich der Arbeitswirtschaft verwendet, insbesondere in Bezug auf die Arbeitslosenrate.[42] Nach Theorien, die auf Hysterese beruhen, führen schwere wirtschaftliche Abschwünge (Rezession) und/oder anhaltende Stagnation (langsames Nachfragewachstum, normalerweise nach einer Rezession) dazu, arbeitslose Personen zu verlieren, um ihre beruflichen Fähigkeiten (häufig entwickelt) zu verlieren oder festzustellen, dass ihre Fähigkeiten haben, dass ihre Fähigkeiten haben obsolet werden oder demotiviert, desillusioniert oder depressiv werden oder die Fähigkeiten zur Arbeitssuchzeit verlieren. Darüber hinaus können Arbeitgeber Zeit in der Arbeitslosigkeit als Screening -Tool nutzen, d. H. Um weniger gewünschte Arbeitnehmer bei Einstellungsentscheidungen auszurotten. In Zeiten eines wirtschaftlichen Aufschwungs, einer Erholung oder eines "Booms" werden die betroffenen Arbeitnehmer dann nicht an dem Wohlstand teilnehmen und längere Zeiten (z. B. über 52 Wochen) arbeitslos bleiben. Dies macht die Arbeitslosigkeit "strukturell", d. H. Es ist äußerst schwierig, einfach durch die Erhöhung der Gesamtnachfrage nach Produkten und Arbeitskräften zu reduzieren, ohne eine erhöhte Inflation zu verursachen. Das heißt, es ist möglich, dass a Ratchet -Effekt Bei den Arbeitslosenquoten gibt es eine kurzfristige Anstieg der Arbeitslosenquoten. Zum Beispiel führt die traditionelle anti-inflationäre Politik (die Verwendung der Rezession zur Bekämpfung der Inflation) zu einer dauerhaft höheren "natürlichen" Arbeitslosenquote (wissenschaftlicher bekannt als die Nairu). Dies tritt zunächst auf, weil die Inflationserwartungen sind "klebrig"Abwärts aufgrund von Lohn- und Preisstarrungen (und passen Sie sich so im Laufe der Zeit langsam an, anstatt ungefähr korrekt zu sein wie in Theorien von rationale Erwartungen) und zweitens, weil die Arbeitsmärkte nicht sofort als Reaktion auf Arbeitslosigkeit klar sind.

Die Existenz der Hysterese wurde als mögliche Erklärung für die anhaltend hohe Arbeitslosigkeit vieler Volkswirtschaften in den neunziger Jahren vorgelegt. Die Hysterese wurde von aufgerufen von Olivier Blanchard unter anderem die Unterschiede in den langfristigen Arbeitslosenquoten zwischen Europa und den Vereinigten Staaten. Arbeitsmarktreform (in der Regel institutioneller Veränderungen, die flexiblere Löhne, Entlassung und Einstellung fördern) oder ein starkes Wirtschaftswachstum nachfrageseitigem Wirtschaftswachstum verringern daher diesen Pool der langfristigen Arbeitslosen nicht. Daher werden spezifische gezielte Schulungsprogramme als mögliche politische Lösung dargestellt.[40] Die Hysterese -Hypothese legt jedoch nahe, dass solche Trainingsprogramme durch anhaltend hohe Nachfrage nach Produkten unterstützt werden (vielleicht mit Einkommensrichtlinien Um eine erhöhte Inflation zu vermeiden), was die Übergangskosten aus der Arbeitslosigkeit und die bezahlte Beschäftigung leichter verringert.


Weitere Überlegungen

Modelle der Hysterese

Jedes Subjekt, das Hysterese beinhaltet, verfügt über Modelle, die spezifisch für das Subjekt sind. Außerdem gibt es Hysteretische Modelle Das erfasst allgemeine Merkmale vieler Systeme mit Hysterese.[2][43][44] Ein Beispiel ist das Präsach -Modell der Hysterese, was eine Hysterese -Nichtlinearität als a darstellt lineare Überlagerung von quadratischen Schleifen, die nicht ideale Relais genannt werden.[2] Viele komplexe Hysteresemodelle ergeben sich aus der einfachen parallelen Verbindung oder Überlagerung von Elementarträgern der Hysterese als Hysteronen.

Eine einfache und intuitive parametrische Beschreibung verschiedener Hystereseschleifen kann im Lapshin -Modell gefunden werden.[43][44] Zusammen mit den glatten Schleifen ermöglicht die Substitution von Trapez-, dreieckigen oder rechteckigen Impulsen anstelle der harmonischen Funktionen stückweise lineare Hystereseschleifen, die häufig in diskreten Automatik verwendet werden, die im Modell eingebaut werden. Es gibt Implementierungen des Hysterese -Schleifenmodells in Mathcad[44] und in R Programmiersprache.[45]

Das BOUC -WEN -Modell der Hysterese wird oft verwendet, um nichtlineare hysteretische Systeme zu beschreiben. Es wurde von Bouc eingeführt[46][47] und erweitert von Wen,[48] der seine Vielseitigkeit demonstrierte, indem er eine Vielzahl hysteretischer Muster produzierte. Dieses Modell kann in analytischer Form eine Reihe von Formen hysteretischer Zyklen erfassen, die dem Verhalten einer breiten Klasse von hysteretischen Systemen entsprechen. Daher hat das BOUC-WEN und Torsion Reaktion von hysteretischen Systemen zwei- und dreidimensionale Kontinua und Bodenverflüssigung unter anderen. Das BOUC -WEN -Modell und seine Varianten/Erweiterungen wurden in Anwendungen von verwendet Strukturkontrolleinsbesondere bei der Modellierung des Verhaltens von Magnetorheologische Dämpfer, Grundisolation Geräte für Gebäude und andere Arten von Dämpfungsgeräten; Es wurde auch für die Modellierung und Analyse von Strukturen aus Stahlbeton, Stahl, Mauerwerk und Holz verwendet. Die wichtigste Erweiterung des Bouc-Wen-Modells wurde von Baber und Noori und später von Noori und Mitarbeitern durchgeführt. Dieses erweiterte Modell namens BWBN kann das komplexe Scherklein- oder Schlupf-Phänomen reproduzieren, das das frühere Modell nicht reproduzieren konnte. Das BWBN -Modell wurde in einem breiten Anwendungsspektrum häufig verwendet und in mehreren Softwarecodes wie OpenSees integriert.

Energie

Wenn Hysterese mit auftritt umfangreiche und intensive VariablenDie Arbeit am System ist der Bereich unter der Hysteresegrafik.

Siehe auch

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Externe Links