?什么是磁滯？

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

作為一個技術術語，磁滯首先是指磁性材料表現出的現象。此后，它已經被納入了許多研究領域——如果你在一系列參考著作中尋找“磁滯性”，你會在字典和百科全書中找到相關條目，這些條目不僅包括工程，還包括物理學、地理學、環境科學、經濟學，甚至牙科醫學。

以這種方式擴大和多樣化使用的概念不太可能有一個簡潔、全面的定義，所以定義磁滯將是本文的第一個任務。我們將著重于磁滯作為材料、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鍵特性。所有這些都將幫助你為這個重要現象建立一個健壯的心理模型。

“為響應產生效果的機制的變化而導致觀察到的效果發生變化的延遲”-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”-牛津化學工程字典。

“一個系統的平衡取決于系統歷史的情況”——牛津社會科學字典。

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

有意思的是，在我看來，社會科學字典的條目似乎是最好的起點。

當描述兩個量之間的關系時，我們通常可以說一個特定的輸入值對應于一個特定的輸出值。例如，一個放大器有一個輸入電壓和一個輸出電壓，它們與增益相關（在實際生活中，這是一個頻率的函數，而不是一個常數）。如果我們忽略諸如飽和度之類的非理想性，VOUT總是等于增益乘以VIN。

然而，如果關系是磁滯的，我們不能說一個特定的輸入值總是產生一個特定的輸出值。相反，輸入-輸出關系取決于系統的歷史，如圖1中的典型磁滯曲線所示。

一種通用的磁滯曲線。

?圖1。簡單的磁滯曲線。

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

輸入值被曲線包圍的磁滯曲線。輸出值不清楚。

?圖2。輸出值不確定。

磁滯和相對運動

為了正確地回答關于哪個輸出值對應于給定輸入值的問題，我們需要關于系統歷史的額外信息。這里，來自物理學字典的定義特別有幫助：在存在磁滯的情況下，輸入-輸出關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運動，正如亞里士多德指出的那樣，運動是以時間為前提的，隨著時間的推移而發生的變化被記錄為歷史。

因此，說磁滯系統的當前狀態取決于系統的歷史是一種廣義的、不太技術的說法，即磁滯使得輸入-輸出關系依賴于相對運動。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來找到輸出值；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來找到輸出值。

輸入相對于輸出增加的磁滯曲線，如藍色箭頭所示。

?圖3。輸入相對于輸出增加的磁滯曲線。

輸入相對于輸出減少的磁滯曲線，如藍色箭頭所示。

?圖4。輸入相對于輸出減少的磁滯曲線。

“數字”磁滯曲線

如果我們將上述平滑的磁滯曲線拉伸并折疊成理想化的矩形傳遞函數，我們會得到圖5。由于習慣了在比較器電路中發現的開/關類型的磁滯動作，我個人認為這種“數字”版本的磁滯曲線比我們前面檢查的逐步過渡更直觀。 

磁滯現象用矩形傳遞函數而非曲線表示。

?圖5。磁滯作為矩形傳遞函數而不是曲線。

如果這個電路沒有磁滯，那么傳遞函數看起來就像一個階躍函數，并且只有一個閾值。如果輸入在單個閾值的左邊，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，我們會創建一個由兩個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生的依賴于歷史的（或者，如果您更喜歡，依賴于相對運動的）關系：

輸入值低于下限閾值。輸出為低電平。

輸入穿過較低的閾值并移動到正方形中。因為輸入在增加，所以輸出不會改變。

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。現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性質的視覺表示。下一次，我們將探討與速率相關和與速率無關的磁滯之間的理論差異。