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Warum haben Magnete ein solch erstaunliches Gedächtnis? Entdecken Sie das Geheimnis der Hysterese!
Hysterese tritt auf, wenn der Zustand eines Systems von seiner Historie abhängt. Beispielsweise kann das magnetische Moment eines Magneten in einem bestimmten Magnetfeld mehr als einen Wert haben, je nachdem, wie sich das Feld in der Vergangenheit verändert hat. Diese historische Abhängigkeit kann häufig durch einen Zyklus oder eine Hysteresekurve dargestellt werden, bei der sich der Wert einer Variablen je nach Änderungsrichtung einer anderen Variablen ändert. Diese Speicherfähigkeit bildet die Grundlage für den Speicher in Festplatten und ist auch für die Erhaltung der früheren magnetischen Feldstärke der Erde verantwortlich.
Magnetische Hysterese ist nicht auf Ferrite und dielektrische Materialien beschränkt; sie tritt auch bei vielen natürlichen Phänomenen auf, beispielsweise bei der Verformung von Gummibändern und Formgedächtnislegierungen.
Magnetische Hysterese kann in verschiedenen Bereichen beobachtet werden, darunter in der Physik, Chemie, im Ingenieurwesen, in der Biologie und in der Wirtschaft. Hysterese kommt auch in vielen künstlichen Systemen vor, beispielsweise in Thermostaten und Schmitt-Triggern, wo sie unnötig häufiges Schalten verhindert. Durch die Existenz einer Hysterese kann es in einem bestimmten System zu einer dynamischen Verzögerung zwischen Eingabe und Ausgabe kommen, die als geschwindigkeitsabhängige Hysterese bezeichnet wird. Phänomene wie magnetische Hystereseschleifen sind jedoch in erster Linie geschwindigkeitsunabhängig, was eine dauerhafte Speicherung ermöglicht.
In Hysteresemodellen wie dem Knickachsenmodell und dem Bou-Wen-Modell können die allgemeinen Eigenschaften der Hysterese erfasst werden, während einige empirische Modelle auf bestimmte Phänomene abzielen, wie beispielsweise das Jiles-Atherton-Modell für Ferromagnetismus.
Der Begriff Hysterese kommt vom griechischen Wort „ὑστέρησις“, was wörtlich „Mangel“ oder „Verzögerung“ bedeutet. Der Begriff wurde erstmals 1881 von James Alfred Ewing geprägt, um das Verhalten magnetischer Materialien zu beschreiben. Im Laufe der Zeit haben sich viele Forscher mit der Beschreibung der Hysterese in mechanischen Systemen befasst, insbesondere in den frühen Arbeiten von James Clerk Maxwell. Die anschließende Untersuchung des Hysteresemodells erregte auch die Aufmerksamkeit berühmter Wissenschaftler wie Ferenc Prysach, Louis Neel und Douglas Hugh Everett, die die Hysterese im Zusammenhang mit Magnetismus und Adsorption untersuchten. Graben Sie tiefer.
Arten der Hysterese
Hysterese kann in zwei Kategorien unterteilt werden: frequenzabhängig und frequenzunabhängig. Die ratenabhängige Hysterese spiegelt die Verzögerungsbeziehung zwischen Eingabe und Ausgabe wider. Beispielsweise erzeugt ein Sinuswelleneingang X(t) einen phasenverzögerten Sinuswellenausgang Y(t).
Ratenunabhängige Hysterese hingegen bedeutet, dass das Gedächtnis des Systems für seine vergangenen Zustände mit der Zeit nicht nachlässt. Dies bedeutet, dass bei einer zyklischen Änderung einer Variablen X(t) die Ausgabe Y(t) bei der Rückkehr in den Ausgangszustand möglicherweise einen anderen Wert aufweist. Dieser ist eher vom Prozessverlauf von X(t) abhängig als von der Änderungsrate.
Viele Autoren beschränken den Begriff Hysterese auf geschwindigkeitsunabhängige Hysterese.
Anwendungsbereiche
In Steuerungssystemen kann Hysterese zum Filtern von Signalen verwendet werden, sodass die Ausgabereaktion des Systems nicht zu drastisch ist. Beispielsweise schaltet ein Thermostat eine Heizung ein, wenn die Temperatur unter einen bestimmten Wert fällt, schaltet sie aber erst aus, wenn die Temperatur auf einen anderen Schwellenwert steigt. In Schaltkreisen wird absichtlich eine Hysterese eingefügt, um unnötig schnelles Schalten zu vermeiden. Mit dieser Technik lassen sich Schwankungen bei Schaltkontakten kompensieren und sie ist auch für die Verarbeitung verrauschter Signale anwendbar.
Beim Design von Benutzeroberflächen hilft Hysterese dabei, den Zustand der Benutzeroberfläche hinter der Eingabe des Benutzers zurückbleiben zu lassen. Selbst wenn sich die Eingabe des Benutzers ändert, bleibt die Benutzeroberfläche für eine gewisse Zeit in ihrem aktuellen Zustand, was sie benutzerfreundlicher macht. . Glatt.
Anwendung der Hysterese in Materialien
Wenn beispielsweise in ferromagnetischen Materialien ein externes Magnetfeld angelegt wird, richten sich die Atomfelder danach aus, und selbst wenn das externe Feld entfernt wird, bleibt ein Teil der Ausrichtung erhalten, was einer der Gründe ist, warum Festplatten basierend auf magnetischem Speicher. . Um das Material zu entmagnetisieren, ist Hitze oder ein umgekehrtes Magnetfeld erforderlich.
Dieses einzigartige Speicherphänomen tritt nicht nur im Festplattendesign auf, sondern wird auch häufig bei anderen Speichermedien und elektronischen Komponenten verwendet. Dies verdeutlicht die Vielfältigkeit der Hysterese und ihre Bedeutung in der modernen Technologie.
Diese eingehende Betrachtung des Phänomens der Hysterese wirft die Frage auf, wie zukünftige Speichergeräte diese natürlichen Phänomene ausnutzen könnten, um im Zuge des technologischen Fortschritts effizientere Speicherformen zu schaffen.
