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磁石はなぜこんなにも素晴らしい記憶力を持つのか？ヒステリシスの謎を探ろう！
ヒステリシスは、システムの状態がその履歴に依存する場合に発生します。たとえば、特定の磁場では、過去に磁場がどのように変化したかに応じて、磁石の磁気モーメントは複数の値を持つことがあります。多くの場合、この履歴的な依存関係は、1 つの変数の値が別の変数の変化の方向に応じて変化するサイクルまたはヒステリシス曲線によって表すことができます。このメモリ機能は、ハードドライブのメモリの基礎であり、地球の過去の磁場の強度を保持する役割も担っています。
磁気ヒステリシスはフェライトや誘電体に限らず、輪ゴムや形状記憶合金の変形など多くの自然現象でも発生します。
磁気ヒステリシスは、物理学、化学、工学、生物学、経済学などさまざまな分野で観察できます。ヒステリシスは、サーモスタットやシュミットトリガーなどの多くの人工システムにも見られ、不必要な頻繁な切り替えを防止します。ヒステリシスの存在により、特定のシステム内の入力と出力の間に動的な遅延が存在することが可能になります。これをレート依存ヒステリシスと呼びます。しかし、磁気ヒステリシス ループのような現象は基本的に速度に依存しないため、永続的なメモリが可能になります。
座屈軸モデルや Bou-Wen モデルなどのヒステリシス モデルでは、ヒステリシスの全体的な特性を捉えることができますが、一部の経験的モデルは、強磁性の Jiles-Atherton モデルなど、特定の現象を対象としています。
ヒステリシスという用語はギリシャ語の「ὑστέρησις」に由来し、文字通り「欠陥」または「遅延」を意味します。この用語は、磁性材料の挙動を説明するために、1881 年に James Alfred Ewing によって初めて造られました。長年にわたり、多くの研究者が、特にジェームズ・クラーク・マクスウェルの初期の研究において、機械システムにおけるヒステリシスの記述を研究してきました。その後のヒステリシスモデルの研究は、フェレンツ・プリサッチ、ルイス・ニール、ダグラス・ヒュー・エヴェレットといった著名な科学者たちの注目も集め、磁性や吸着に関するヒステリシスを研究し、さらに深く掘り下げました。
ヒステリシスの種類
ヒステリシスは、レート依存型とレート非依存型の 2 つのカテゴリに分けられます。レート依存ヒステリシスは、入力と出力間の遅延関係を反映します。たとえば、正弦波入力 X(t) は位相遅延正弦波出力 Y(t) を生成します。
一方、レート非依存ヒステリシスとは、システムの過去の状態の記憶が時間の経過とともに減衰しないことを意味します。つまり、変数 X(t) が周期的に変化する場合、変化率ではなく X(t) のプロセス パスに応じて、出力 Y(t) は初期状態に戻ったときに異なる値を示す可能性があります。
多くの著者は、ヒステリシスという用語を、速度非依存ヒステリシスに限定しています。
応用分野
制御システムでは、ヒステリシスを使用して信号をフィルタリングし、システムの出力応答が極端にならないようにすることができます。たとえば、サーモスタットは、温度が特定のレベルまで下がるとヒーターをオンにしますが、温度が別のしきい値まで上昇するまではオフにしません。回路では、不必要に急速な切り替えを防ぐために、ヒステリシスが意図的に回路に追加されます。この技術は、スイッチング接点の変動を補正するために使用でき、ノイズの多い信号の処理にも適用できます。
ユーザーインターフェースの設計において、ヒステリシスはインターフェースの状態をユーザーの入力より遅れさせるのに役立ちます。ユーザーの入力が変化した後でも、インターフェースは一定期間現在の状態のままになり、よりユーザーフレンドリーになります。 。 スムーズ。
材料におけるヒステリシスの応用
例えば、強磁性材料では、外部磁場が加えられると原子場がそれに合わせて整列し、外部磁場が除去されても整列の一部は残ります。これが、ハードドライブが磁気メモリに基づいています。材料を消磁するには、熱または逆磁場が必要です。
このユニークなメモリ現象は、ハードドライブの設計だけでなく、他のストレージメディアや電子部品にも広く使用されており、ヒステリシスの多様性と現代のテクノロジーにおけるその重要性を示しています。
ヒステリシス現象を詳細に調べると、技術が進歩するにつれて、将来のメモリデバイスがこれらの自然現象をどのように利用して、より効率的な形式のメモリを作成するのかという疑問が生じます。
