Hysterese in Materialien
Hysterese verstehen
Hysterese ist ein Phänomen, bei dem der Zustand eines Systems von seiner Vorgeschichte abhängt. Dieses Verhalten ist häufig bei magnetischen Materialien, mechanischen Systemen und biologischen Prozessen zu beobachten. In solchen Systemen wird die Reaktion auf einen externen Stimulus durch frühere Zustände beeinflusst.
Arten der Hysterese
Hysterese kann je nach System und Kontext in verschiedene Typen eingeteilt werden. Zu den wichtigsten Arten gehören:
lMagnetische Hysterese: Sie wird bei ferromagnetischen Materialien beobachtet, bei denen die Magnetisierung vom Verlauf des angelegten Magnetfelds abhängt.
lMechanische Hysterese: Wird bei Materialien beobachtet, die bei zyklischer Belastung einen Energieverlust aufweisen, z. B. Gummi und Metalle.
lThermische Hysterese: Betrifft Systeme, bei denen Temperaturänderungen von der thermischen Vorgeschichte abhängen, häufig bei Phasenwechselmaterialien.
lElektrische Hysterese: Tritt in elektrischen Systemen wie Kondensatoren und Induktoren auf, bei denen Spannung und Stromstärke von früheren Zuständen abhängen.
Beispiele für Hysterese
Hysterese tritt in verschiedenen Bereichen auf, was ihre weitreichenden Auswirkungen verdeutlicht:
lMagnetische Hysterese: Die Magnetisierungskurve von Eisen weist eine Hysterese auf, die für die Entwicklung von Magnetspeichern wichtig ist.
lThermostate: Die Hysterese verhindert schnelle Schaltvorgänge, indem sie einen Temperaturbereich für das Ein- und Ausschalten von Heiz- oder Kühlsystemen einführt.
lElastische Materialien: Gummibänder weisen eine Hysterese auf, wenn sie gedehnt und wieder losgelassen werden, und verlieren dabei Energie.
Hysterese in verschiedenen Systemen
In der folgenden Tabelle sind die verschiedenen Arten von Hysterese und ihre Beispiele zusammengefasst:
|
Art der Hysterese |
Beschreibung |
Beispiel |
|
Magnetische Hysterese |
Abhängigkeit der Magnetisierung vom Verlauf des Feldes |
Magnetisierungskurve von Eisen |
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Mechanische Hysterese |
Energieverlust bei zyklischer Belastung |
Elastizität von Gummi |
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Thermische Hysterese |
Temperaturabhängigkeit von der thermischen Vorgeschichte |
Materialien mit Phasenwechsel |
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Elektrische Hysterese |
Spannung und Stromstärke hängen von vergangenen Zuständen ab |
Kondensatoren in elektrischen Schaltungen |
Weitere Einzelheiten finden Sie bei Stanford Advanced Materials (SAM).
Anwendungen der Hysterese
- Dauermagnete: Gewährleistet eine starke Remanenz und Koerzitivfeldstärke für eine dauerhafte Magnetisierung.
- Magnetische Datenspeicherung: Ermöglicht die Datenspeicherung in Festplatten durch remanente Magnetisierung.
- Transformatoren und Induktoren: Analysiert die Kernverluste während der Magnetisierungszyklen.
- Sensoren und Aktuatoren: Einsatz in magnetischen Sensoren und Positionsdetektoren.
- Ferroelektrische Materialien: Angewandt in nichtflüchtigen Speichern (FeRAM).
- Steuerungssysteme: Verhindert schnelle Schaltvorgänge in Thermostaten und Motorsteuerungen.
- Formgedächtnis-Legierungen: Werden in Aktuatoren und medizinischen Geräten zur Formerhaltung verwendet.
- Biosensoren: Erkennen von Veränderungen biologischer Eigenschaften durch magnetische/elektrische Felder.
Häufig gestellte Fragen
Was ist Hysterese in einfachen Worten?
Hysterese bedeutet, dass der aktuelle Zustand eines Systems durch seine früheren Zustände und nicht nur durch die aktuellen Eingaben beeinflusst wird.
Wo kann man Hysterese im täglichen Leben beobachten?
Beispiele sind Thermostate, die die Heizung im Haus regeln, Gummibänder, die sich dehnen und wieder in ihre Form zurückkehren, und magnetische Materialien in elektronischen Geräten.
Warum ist Hysterese in der Technik wichtig?
Das Verständnis der Hysterese hilft bei der Entwicklung von Systemen, die mit Energieverlusten umgehen können, stabil bleiben und unter verschiedenen Bedingungen effizient funktionieren.
Kann Hysterese in biologischen Systemen auftreten?
Ja, Hysterese kommt bei biologischen Prozessen wie Muskelkontraktion und bestimmten zellulären Reaktionen vor.
Wie wird die Hysterese in Materialien gemessen?
Hysterese wird in der Regel durch zyklische Be- und Entlastung von Kräften oder Feldern gemessen, wobei die Verzögerung zwischen Eingangs- und Ausgangsreaktionen beobachtet wird.
