?什么是磁滯？

在自然界和工程系統中都有發(fā)現，在某些電子應用中，磁滯是一種至關(guān)重要的設計技術(shù)。在本文中，我們將介紹其理論基礎知識。

作為一個(gè)技術(shù)術(shù)語(yǔ)，磁滯首先是指磁性材料表現出的現象。此后，它已經(jīng)被納入了許多研究領(lǐng)域——如果你在一系列參考著(zhù)作中尋找“磁滯性”，你會(huì )在字典和百科全書(shū)中找到相關(guān)條目，這些條目不僅包括工程，還包括物理學(xué)、地理學(xué)、環(huán)境科學(xué)、經(jīng)濟學(xué)，甚至牙科醫學(xué)。

以這種方式擴大和多樣化使用的概念不太可能有一個(gè)簡(jiǎn)潔、全面的定義，所以定義磁滯將是本文的第一個(gè)任務(wù)。我們將著(zhù)重于磁滯作為材料、組件和電路的特性，在電氣工程師的工作中占有顯著(zhù)的地位。

磁滯的定義

盡管它們之間存在差異，但以下參考條目的摘錄都傳達了磁滯的關(guān)鍵特性。所有這些都將幫助你為這個(gè)重要現象建立一個(gè)健壯的心理模型。

“為響應產(chǎn)生效果的機制的變化而導致觀(guān)察到的效果發(fā)生變化的延遲”-牛津電子和電氣工程字典。

“由于摩擦等阻力導致的與預期值的磁滯效應”-牛津化學(xué)工程字典。

“一個(gè)系統的平衡取決于系統歷史的情況”——牛津社會(huì )科學(xué)字典。

“兩個(gè)物理量以某種方式相關(guān)的現象，取決于一個(gè)物理量相對于另一個(gè)物理量是增加還是減少”——牛津物理學(xué)字典。

有意思的是，在我看來(lái)，社會(huì )科學(xué)字典的條目似乎是最好的起點(diǎn)。

當描述兩個(gè)量之間的關(guān)系時(shí)，我們通?？梢哉f(shuō)一個(gè)特定的輸入值對應于一個(gè)特定的輸出值。例如，一個(gè)放大器有一個(gè)輸入電壓和一個(gè)輸出電壓，它們與增益相關(guān)（在實(shí)際生活中，這是一個(gè)頻率的函數，而不是一個(gè)常數）。如果我們忽略諸如飽和度之類(lèi)的非理想性，VOUT總是等于增益乘以VIN。

然而，如果關(guān)系是磁滯的，我們不能說(shuō)一個(gè)特定的輸入值總是產(chǎn)生一個(gè)特定的輸出值。相反，輸入-輸出關(guān)系取決于系統的歷史，如圖1中的典型磁滯曲線(xiàn)所示。

一種通用的磁滯曲線(xiàn)。

?圖1。簡(jiǎn)單的磁滯曲線(xiàn)。

橫軸為輸入，縱軸為輸出。如果選擇的輸入值位于磁滯曲線(xiàn)的封閉部分內，那么對應的輸出值是多少？這個(gè)問(wèn)題沒(méi)有明確的答案，如圖2所示。

輸入值被曲線(xiàn)包圍的磁滯曲線(xiàn)。輸出值不清楚。

?圖2。輸出值不確定。

磁滯和相對運動(dòng)

為了正確地回答關(guān)于哪個(gè)輸出值對應于給定輸入值的問(wèn)題，我們需要關(guān)于系統歷史的額外信息。這里，來(lái)自物理學(xué)字典的定義特別有幫助：在存在磁滯的情況下，輸入-輸出關(guān)系取決于輸入相對于輸出是增加還是減少。遞增和遞減都意味著(zhù)運動(dòng)，正如亞里士多德指出的那樣，運動(dòng)是以時(shí)間為前提的，隨著(zhù)時(shí)間的推移而發(fā)生的變化被記錄為歷史。

因此，說(shuō)磁滯系統的當前狀態(tài)取決于系統的歷史是一種廣義的、不太技術(shù)的說(shuō)法，即磁滯使得輸入-輸出關(guān)系依賴(lài)于相對運動(dòng)。如果當前輸入相對于輸出增加（圖3），我們使用向上箭頭標記的曲線(xiàn)來(lái)找到輸出值；如果當前輸入相對于輸出減少（圖4），我們使用向下箭頭標記的曲線(xiàn)來(lái)找到輸出值。

輸入相對于輸出增加的磁滯曲線(xiàn)，如藍色箭頭所示。

?圖3。輸入相對于輸出增加的磁滯曲線(xiàn)。

輸入相對于輸出減少的磁滯曲線(xiàn)，如藍色箭頭所示。

?圖4。輸入相對于輸出減少的磁滯曲線(xiàn)。

“數字”磁滯曲線(xiàn)

如果我們將上述平滑的磁滯曲線(xiàn)拉伸并折疊成理想化的矩形傳遞函數，我們會(huì )得到圖5。由于習慣了在比較器電路中發(fā)現的開(kāi)/關(guān)類(lèi)型的磁滯動(dòng)作，我個(gè)人認為這種“數字”版本的磁滯曲線(xiàn)比我們前面檢查的逐步過(guò)渡更直觀(guān)。 

磁滯現象用矩形傳遞函數而非曲線(xiàn)表示。

?圖5。磁滯作為矩形傳遞函數而不是曲線(xiàn)。

如果這個(gè)電路沒(méi)有磁滯，那么傳遞函數看起來(lái)就像一個(gè)階躍函數，并且只有一個(gè)閾值。如果輸入在單個(gè)閾值的左邊，那么輸出將是低電平的；如果它在閾值的右邊，那么輸出將是高電平的。

當我們添加磁滯時(shí)，我們會(huì )創(chuàng )建一個(gè)由兩個(gè)不同閾值限定的不確定區域。如果輸入值在平方之外，則不存在不確定性：如果輸入在平方左邊，則輸出為低電平；如果輸入在平方右邊，則輸出為高電平。如果輸入值在方塊內，則輸出取決于系統的歷史。

下列事件順序傳達了磁滯所產(chǎn)生的依賴(lài)于歷史的（或者，如果您更喜歡，依賴(lài)于相對運動(dòng)的）關(guān)系：

輸入值低于下限閾值。輸出為低電平。

輸入穿過(guò)較低的閾值并移動(dòng)到正方形中。因為輸入在增加，所以輸出不會(huì )改變。

輸出保持低電平，直到輸入達到較高的閾值。然后，輸出轉換為高電平。

輸入增加到較高閾值以上。輸出保持高電平。

輸入開(kāi)始減少，并最終達到較高的閾值。輸出保持高電平。

輸入現在在正方形內，但輸出仍然是高電平。以前，輸入在正方形內，輸出低電平。由于系統的歷史不同，輸出狀態(tài)也不同：以前輸入在正方形內并不斷增加，但現在輸入在正方形內并不斷減少。

輸入達到下限閾值?，F在輸出轉換為低電平。

下一篇文章

在本文中，我們介紹了磁滯的基本原理，并檢查了磁滯系統的歷史依賴(lài)性質(zhì)的視覺(jué)表示。下一次，我們將探討與速率相關(guān)和與速率無(wú)關(guān)的磁滯之間的理論差異。