磁滯現(xiàn)象簡介：與速率相關(guān)和與速率無關(guān)的磁滯現(xiàn)象

本文是磁滯系列文章的第二篇，解釋了工程系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的兩種磁滯類型。

在前一篇文章中，我介紹了磁滯的概念，并解釋了磁滯系統(tǒng)的輸出如何依賴于輸入的當(dāng)前狀態(tài)和系統(tǒng)的歷史。在這篇文章中，我想提供一個(gè)更完整的理論圖片，通過檢查率依賴和率無關(guān)磁滯之間的差異。我們還將研究磁滯和功耗之間的關(guān)系。

磁滯和延遲

之前，我引用了磁滯的四個(gè)定義。我們當(dāng)時(shí)討論了其中兩個(gè)，現(xiàn)在我們將討論另外兩個(gè)：

“由于產(chǎn)生效應(yīng)的機(jī)制發(fā)生變化而引起的觀察效應(yīng)變化的磁滯”，《牛津電子與電氣工程詞典》。

“由于摩擦等阻力導(dǎo)致的預(yù)期值的磁滯效應(yīng)”—牛津化學(xué)工程詞典。

這里描述的延遲和磁滯效應(yīng)主要與所謂的速率相關(guān)磁滯有關(guān)。我之所以說“所謂”是因?yàn)檠舆t響應(yīng)可以是簡單的正弦相位磁滯。在我看來，這不符合真正的磁滯。

然而，這個(gè)術(shù)語背后的邏輯如下：與速率相關(guān)的磁滯取決于變化率，換句話說，就是輸入信號(hào)的頻率。在特定頻率下，速率相關(guān)磁滯效應(yīng)會(huì)更為明顯。

例如，低通濾波器會(huì)導(dǎo)致相位磁滯。如圖1所示，該相位磁滯并非在所有頻率下都相等。相反，輸入到輸出相位延遲的幅度從零開始，并隨著輸入頻率的增加而增加。因此，低通濾波器的相位磁滯表示與速率相關(guān)的磁滯。

低通濾波器的正弦相位磁滯。

圖1。低通濾波器的相位磁滯。

與速率無關(guān)的磁滯，這是我們在上一篇文章中主要討論的，會(huì)產(chǎn)生不受輸入頻率影響的效果。速率無關(guān)磁滯的一個(gè)例子是比較器，其具有用于增加輸入信號(hào)和減少輸入信號(hào)的單獨(dú)閾值。無論輸入頻率如何，這些單獨(dú)的閾值都會(huì)影響輸出行為。

磁滯理論中時(shí)滯與系統(tǒng)歷史的協(xié)調(diào)

“延遲”的定義與“系統(tǒng)歷史”的定義并不一致，因?yàn)槲覀兛梢詫⑴c速率無關(guān)的磁滯視為與速率相關(guān)的磁滯的更極端形式。讓我們看一看圖2，它再現(xiàn)了前一篇文章中的數(shù)字磁滯圖。

磁滯作為傳遞函數(shù)而不是曲線。

圖2?！皵?shù)字”磁滯。

我們可以在這里看到，當(dāng)增加的輸入超過較低的閾值時(shí)，輸出不會(huì)改變狀態(tài)。它也不會(huì)在兩個(gè)閾值之間的中點(diǎn)改變狀態(tài)，我們期望閾值位于沒有磁滯的情況下。這種類型的磁滯會(huì)產(chǎn)生延遲，但也會(huì)產(chǎn)生更為顯著的非線性行為。

例如，假設(shè)我們使用的是5 V供電的邏輯門，輸入電壓從0 V開始逐漸增加。在沒有磁滯的情況下，我們可能期望閾值為2.5 V。但是，如果門設(shè)計(jì)有磁滯，實(shí)際閾值可能為2.25 V和2.75 V。在這種情況下，當(dāng)輸入達(dá)到2.5 V時(shí)，輸出將不會(huì)轉(zhuǎn)換-它必須達(dá)到更高的閾值2.75 V。

這構(gòu)成了對(duì)輸入刺激的預(yù)期反應(yīng)的延遲。然而，我們需要認(rèn)識(shí)到，如果輸入從未達(dá)到更高的閾值，那么輸出將永遠(yuǎn)不會(huì)轉(zhuǎn)換，這不僅僅是一個(gè)延遲。如果輸入減少且從未達(dá)到較低閾值，則輸出也不會(huì)轉(zhuǎn)換。

磁滯和功耗

上面提到的一個(gè)定義是指由“摩擦等阻力”引起的磁滯。在結(jié)束之前，我想對(duì)這個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行評(píng)論。

在機(jī)械系統(tǒng)中，摩擦是無意識(shí)功率耗散的普遍來源。電系統(tǒng)中的磁滯也是導(dǎo)致能量浪費(fèi)的“電阻”來源。例如，考慮一個(gè)交流信號(hào)驅(qū)動(dòng)一個(gè)磁性元件，如鐵芯變壓器。信號(hào)必須提供額外的能量，以響應(yīng)磁性材料的固有磁滯。

更嚴(yán)重的磁滯趨勢需要更多的額外能量。材料磁滯曲線中兩條曲線所包圍的區(qū)域?qū)?yīng)于不需要的功率耗散量。

實(shí)際上，這種功耗并不總是不需要的。由于鐵氧體具有很強(qiáng)的磁滯特性，所以我們在電源或USB電纜周圍看到的鐵氧體環(huán)能夠抑制高頻噪聲（圖3）。交流噪聲信號(hào)與鐵氧體材料之間的相互作用導(dǎo)致噪聲能量以熱的形式耗散。

鐵氧體磁滯曲線。

圖3。鐵氧體磁滯曲線。

你們可以閱讀更多關(guān)于電磁學(xué)和磁滯回線在第14章的所有關(guān)于電路電氣工程教科書。

下一篇

在這篇文章和上一篇文章中，我們關(guān)注磁滯的基本理論。下一次，我們將探討磁滯在電子電路中的實(shí)際意義。