Гистерезис

Электрическое поле смещений D из сегнетоэлектрического материала , как электрическое поле Е сначала уменьшается, а затем увеличивается. Кривые образуют петлю гистерезиса .

Гистерезис - это зависимость состояния системы от ее истории. Например, у магнита может быть более одного возможного магнитного момента в данном магнитном поле , в зависимости от того, как поле менялось в прошлом. Графики одного компонента момента часто образуют петлю или кривую гистерезиса, где есть разные значения одной переменной в зависимости от направления изменения другой переменной. Эта историческая зависимость является основой памяти на жестком диске и остаточной составляющей, которая сохраняет запись величины магнитного поля Земли в прошлом. Гистерезис возникает в ферромагнетиках и сегнетоэлектриках.материалы, а также в деформации из резиновых полос и сплавов с памятью формы и многих других природных явлений. В естественных системах это часто связано с необратимыми термодинамическими изменениями, такими как фазовые переходы, и с внутренним трением ; и рассеивание является распространенным побочным эффектом.

Гистерезис можно найти в физике , химии , инженерии , биологии и экономике . Он встроен во многие искусственные системы: например, в термостаты и триггеры Шмитта , он предотвращает нежелательное частое переключение.

Гистерезис может быть динамической задержкой между входом и выходом, которая исчезает, если вход изменяется медленнее; это известно как гистерезис, зависящий от скорости . Однако такие явления, как петли магнитного гистерезиса, в основном не зависят от скорости , что делает возможной долговечную память.

Системы с гистерезисом нелинейны , и их математически сложно моделировать. Некоторые гистерезисные модели , такие как модель Прейзаха (первоначально примененная к ферромагнетизму) и модель Бока – Вена , пытаются уловить общие черты гистерезиса; а также существуют феноменологические модели конкретных явлений, такие как модель ферромагнетизма Джайлса – Атертона .

Этимология и история [ править ]

Термин «гистерезис» происходит от ὑστέρησις , древнегреческого слова, означающего «недостаток» или «отставание». Он был изобретен около 1890 года сэром Джеймсом Альфредом Юингом для описания поведения магнитных материалов.

Некоторые ранние работы по описанию гистерезиса в механических системах были выполнены Джеймсом Клерком Максвеллом . Впоследствии гистерезисным моделям уделялось значительное внимание в работах Ференца Прейзаха ( модель гистерезиса Прейзаха ), Луи Нееля и Дугласа Хью Эверетта в связи с магнетизмом и поглощением. Более формальная математическая теория систем с гистерезисом была разработана в 1970-х годах группой российских математиков под руководством Марка Красносельского . ^[1]

Типы [ править ]

Зависит от скорости [ править ]

Один из типов гистерезиса - это задержка между входом и выходом. Примером может служить синусоидальный вход X (t), который приводит к синусоидальному выходу Y (t) , но с фазовой задержкой φ :

${\displaystyle {\begin{aligned}X(t)&=X_{0}\sin \omega t\\Y(t)&=Y_{0}\sin \left(\omega t-\varphi \right).\end{aligned}}}$

Такое поведение может иметь место в линейных системах, и более общая форма реакции -

${\displaystyle Y(t)=\chi _{\text{i}}X(t)+\int _{0}^{\infty }\Phi _{\text{d}}(\tau )X(t-\tau )\,\mathrm {d} \tau ,}$

где - мгновенная реакция, а - импульсная реакция на импульс, который произошел в единицах времени в прошлом. В частотной области вход и выход связаны сложной обобщенной восприимчивостью, которая может быть вычислена из ; математически она эквивалентна передаточной функции в теории линейных фильтров и обработке аналоговых сигналов. ^[2]${\displaystyle \chi _{\text{i}}}$${\displaystyle \Phi _{d}(\tau )}$${\displaystyle \tau }$${\displaystyle \Phi _{d}}$

Этот вид гистерезиса часто называют гистерезисом, зависящим от скорости . Если вход уменьшен до нуля, выход продолжает реагировать в течение конечного времени. Это представляет собой воспоминание о прошлом, но ограниченное, потому что оно исчезает, когда выходной сигнал уменьшается до нуля. Фазовое отставание зависит от частоты входа и стремится к нулю при уменьшении частоты. ^[2]

Когда зависящий от скорости гистерезис возникает из-за диссипативных эффектов, таких как трение , он связан с потерей мощности. ^[2]

Независимо от скорости [ править ]

Системы с гистерезисом, не зависящим от скорости, имеют постоянную память о прошлом, которая остается после того, как переходные процессы исчезли. ^[3] Будущее развитие такой системы зависит от истории посещенных государств, но не исчезает по мере того, как события уходят в прошлое. Если входная переменная X (t) циклически изменяется от X ₀ до X ₁ и обратно, выход Y (t) может быть изначально Y _0, но при возврате может иметь другое значение Y ₂ . Значения Y (t) зависят от пути значений, которые X (t)проходит, но не со скоростью, с которой он пересекает путь. ^[2] Многие авторы ограничивают термин гистерезис только значением гистерезиса, не зависящим от скорости. ^[4] Эффекты гистерезиса можно охарактеризовать с помощью модели Прейзаха и обобщенной модели Прандтля-Ишлинского . ^[5]

В инженерии [ править ]

Системы управления [ править ]

В системах управления можно использовать гистерезис для фильтрации сигналов, чтобы выходной сигнал реагировал менее быстро, чем в противном случае, с учетом недавней истории системы. Например, термостат, управляющий нагревателем, может включать нагреватель, когда температура падает ниже A, но не выключать его, пока температура не поднимется выше B. (Например, если кто-то хочет поддерживать температуру 20 ° C, то можно установите термостат так, чтобы нагреватель включался, когда температура опускается ниже 18 ° C, и выключался, когда температура превышала 22 ° C).

Точно так же реле давления может быть спроектировано так, чтобы показывать гистерезис, с уставками давления, заменяющими пороговые значения температуры.

Электронные схемы [ править ]

Часто к электронной схеме намеренно добавляется некоторая величина гистерезиса, чтобы предотвратить нежелательное быстрое переключение. Этот и аналогичные методы используются для компенсации дребезга контактов в переключателях или шума в электрическом сигнале.

Триггер Шмитта является простой электронная схема , которая обладает этим свойством.

Реле с блокировкой использует электромагнитные для приведения в действие механизма трещотки , который держит реле закрыто , даже если питание реле прекращается.

Гистерезис важен для работы некоторых мемристоров (компонентов схемы, которые «запоминают» изменения тока, проходящего через них, изменяя свое сопротивление). ^[6]

Гистерезис можно использовать при соединении массивов элементов, таких как наноэлектроника , электрохромные ячейки и устройства с эффектом памяти, с использованием пассивной матричной адресации . Между соседними компонентами делаются ярлыки (см. Перекрестные помехи ), а гистерезис помогает удерживать компоненты в определенном состоянии, в то время как другие компоненты меняют состояния. Таким образом, можно адресовать все строки одновременно, а не по отдельности.

В области аудиоэлектроники шумовой вентиль часто преднамеренно реализует гистерезис, чтобы предотвратить «дребезжание» затвора при подаче сигналов, близких к его пороговому значению.

Дизайн пользовательского интерфейса [ править ]

Иногда в компьютерные алгоритмы намеренно добавляют гистерезис. В области дизайна пользовательского интерфейса термин гистерезис позаимствован для обозначения моментов, когда состояние пользовательского интерфейса намеренно отстает от видимого пользовательского ввода. Например, меню, которое было нарисовано в ответ на событие наведения курсора мыши, может оставаться на экране в течение короткого времени после того, как мышь переместилась из области запуска и области меню. Это позволяет пользователю перемещать мышь непосредственно к пункту меню, даже если часть этого прямого пути мыши находится за пределами как области триггера, так и области меню. Например, щелчок правой кнопкой мыши на рабочем столе в большинстве интерфейсов Windows создает меню, демонстрирующее такое поведение.

Аэродинамика [ править ]

В аэродинамике можно наблюдать гистерезис при уменьшении угла атаки крыла после сваливания в отношении коэффициентов подъемной силы и сопротивления. Угол атаки, при котором поток снова присоединяется к верхней части крыла, обычно меньше, чем угол атаки, при котором поток отделяется во время увеличения угла атаки. ^[7]

Люфт [ править ]

Движущиеся части внутри машин, такие как компоненты зубчатой ​​передачи , обычно имеют небольшой зазор между ними, чтобы обеспечить движение и смазку. Вследствие этого зазора любое изменение направления движения ведущей части не будет немедленно передано ведомой части. ^[8] Эта нежелательная задержка обычно сохраняется как можно меньше и обычно называется люфтом . Величина люфта будет увеличиваться со временем по мере износа движущихся частей.

В механике [ править ]

Упругий гистерезис [ править ]

При упругом гистерезисе резины область в центре петли гистерезиса представляет собой энергию, рассеиваемую из-за внутреннего трения материала .

Упругий гистерезис был одним из первых исследованных типов гистерезиса. ^{[9] [10]}

Эффект можно продемонстрировать с помощью резиновой ленты с прикрепленными к ней грузами. Если верх резиновой ленты повесить на крючок, а к нижней части ленты по одному прикрепить грузики, она будет растягиваться и удлиняться. По мере того, как на него загружается больше грузов , лента будет продолжать растягиваться, потому что сила, действующая на нее, увеличивается. Когда каждый груз снимается или разгружается , лента сжимается по мере уменьшения силы. По мере снятия грузов каждый груз, который имел определенную длину, когда он был загружен на ленту, теперь сжимается меньше, что приводит к немного большей длине при разгрузке. Это потому, что группа не подчиняется закону Гука.прекрасно. Петля гистерезиса идеализированной резинки показана на рисунке.

Что касается силы, резиновую ленту было труднее растянуть при нагрузке, чем при разгрузке. С точки зрения времени, когда лента разгружена, следствие (длина) отставало от причины (силы грузов), потому что длина еще не достигла значения, которое она имела для того же веса во время нагружающей части цикла. . Что касается энергии, во время загрузки требовалось больше энергии, чем во время разгрузки, причем избыточная энергия рассеивалась в виде тепловой энергии.

Упругий гистерезис более выражен, когда загрузка и разгрузка производятся быстро, чем когда это делается медленно. ^[11] Некоторые материалы, такие как твердые металлы, не демонстрируют упругий гистерезис при умеренной нагрузке, в то время как другие твердые материалы, такие как гранит и мрамор, имеют. Такие материалы, как резина, обладают высокой степенью упругого гистерезиса.

Когда измеряется внутренний гистерезис резины, можно считать, что материал ведет себя как газ. Когда резинка растягивается, она нагревается, а если ее внезапно отпускать, она заметно остывает. Эти эффекты соответствуют большому гистерезису из-за теплообмена с окружающей средой и меньшему гистерезису из-за внутреннего трения внутри резины. Этот собственный внутренний гистерезис можно измерить, только если резиновая лента адиабатически изолирована.

Подвески небольших транспортных средств с использованием резины (или других эластомеров ) могут выполнять двойную функцию пружинения и демпфирования, поскольку резина, в отличие от металлических пружин, имеет ярко выраженный гистерезис и не возвращает всю поглощенную энергию сжатия при отскоке. В горных велосипедах использовалась эластомерная подвеска, как и в оригинальном автомобиле Mini .

Основной причиной сопротивления качению, когда тело (например, мяч, шина или колесо) катится по поверхности, является гистерезис. Это объясняется вязкоупругими характеристиками материала тела качения.

Гистерезис краевого угла [ править ]

Угол контактаобразующийся между жидкой и твердой фазами будет иметь диапазон возможных углов смачивания. Существует два распространенных метода измерения этого диапазона углов смачивания. Первый метод называется методом наклона основания. После того, как капля попадает на поверхность с уровнем поверхности, поверхность наклоняется от 0 ° до 90 °. Поскольку капля наклонена, сторона вниз будет находиться в состоянии неминуемого увлажнения, тогда как сторона подъема будет в состоянии неизбежного увлажнения. По мере увеличения наклона угол контакта при спуске будет увеличиваться и представляет собой угол контакта при продвижении, в то время как сторона подъема будет уменьшаться; это уменьшающийся угол контакта. Значения этих углов непосредственно перед выпуском капли обычно представляют собой углы контакта при продвижении и удалении.Разница между этими двумя углами - гистерезис краевого угла.

Второй метод часто называют методом добавления / удаления тома. Таким образом, когда из капли удаляется максимальный объем жидкости без уменьшения площади поверхности раздела, измеряется отступающий угол смачивания. Когда объем увеличивается до максимума до увеличения межфазной площади, это наступающий угол контакта . Как и в случае с методом наклона, разница между углами смачивания и отвода является гистерезисом угла смачивания. Большинство исследователей предпочитают метод наклона; метод добавления / удаления требует, чтобы наконечник или игла оставались в капле, что может повлиять на точность значений, особенно на угол смачивания смачивания.

Гистерезис формы пузыря [ править ]

Равновесные формы пузырьков, расширяющихся и сжимающихся на капиллярах ( тупые иглы ), могут иметь гистерезис в зависимости от относительной величины максимального капиллярного давления по отношению к атмосферному давлению и относительной величины объема пузырька при максимальном капиллярном давлении по отношению к мертвому объему в пространстве. система. ^[12] Гистерезис формы пузырька является следствием сжимаемости газа., что заставляет пузыри вести себя по-разному при расширении и сжатии. Во время расширения пузырьки испытывают большие неравновесные скачки объема, в то время как во время сжатия пузырьки более стабильны и испытывают относительно меньший скачок объема, что приводит к асимметрии при расширении и сжатии. Гистерезис формы пузырька качественно аналогичен гистерезису адсорбции, и, как и в случае гистерезиса краевого угла, межфазные свойства играют важную роль в гистерезисе формы пузырька.

Существование гистерезиса формы пузырьков имеет важные последствия в экспериментах по межфазной реологии с участием пузырьков. В результате гистерезиса не все размеры пузырьков могут быть сформированы на капилляре. Кроме того, сжимаемость газа, вызывающая гистерезис, приводит к непреднамеренным осложнениям в соотношении фаз между приложенными изменениями межфазной площади и ожидаемыми межфазными напряжениями. Этих трудностей можно избежать, создав экспериментальные системы, позволяющие избежать гистерезиса формы пузырьков. ^{[12] [13]}

Адсорбционный гистерезис [ править ]

Гистерезис также может возникать во время процессов физической адсорбции . В этом типе гистерезиса количество адсорбированного газа отличается при добавлении газа и при его удалении. Конкретные причины гистерезиса адсорбции все еще являются активной областью исследований, но они связаны с различиями в механизмах зародышеобразования и испарения внутри мезопор. Эти механизмы дополнительно усложняются такими эффектами, как кавитация и закупорка пор.

При физической адсорбции гистерезис является свидетельством мезопористости : определение мезопор (2–50 нм) связано с появлением (50 нм) и исчезновением (2 нм) мезопористости на изотермах адсорбции азота в зависимости от радиуса Кельвина. ^[14] Изотерма адсорбции, показывающая гистерезис, называется типом IV (для смачивающего адсорбата) или типом V (для несмачивающего адсорбата), а сами петли гистерезиса классифицируются в зависимости от того, насколько симметрична петля. ^[15]Петли гистерезиса адсорбции также обладают необычным свойством, заключающимся в том, что их можно сканировать внутри петли гистерезиса, изменяя направление адсорбции на противоположное, находясь в точке на петле. Полученные в результате сканирования называются «пересекающимися», «сходящимися» или «возвращающимися» в зависимости от формы изотермы в этой точке. ^[16]

Матричный потенциальный гистерезис [ править ]

Взаимосвязь между основным водным потенциалом и содержанием воды является основой кривой водоудержания . Измерения матричного потенциала ( _м ) преобразуются в измерения объемного содержания воды (θ) на основе калибровочной кривой для конкретного участка или почвы. Гистерезис является источником погрешности измерения содержания воды. Гистерезис потенциала матрицы возникает из-за различий в поведении смачивания, вызывающих повторное смачивание сухой среды; то есть это зависит от истории насыщения пористой среды. Гистерезисное поведение означает, что, например, при матричном потенциале ( _м ) 5 кПа объемное содержание воды (θ) в матрице мелкозернистого песчаного грунта может составлять от 8% до 25%.^[17]

Тензиометры непосредственно под влиянием этого типа гистерезиса. На два других типа датчиков, используемых для измерения потенциала воды в почве, также влияют эффекты гистерезиса внутри самого датчика. Блоки сопротивления, как на нейлоновой, так и на гипсовой основе, измеряют матричный потенциал как функцию электрического сопротивления. Связь между электрическим сопротивлением датчика и потенциалом матрицы датчика гистерезисная. Термопары измеряют матричный потенциал как функцию рассеивания тепла. Гистерезис возникает из-за того, что измеренное тепловыделение зависит от содержания воды в датчике, а соотношение содержания воды в датчике и потенциала матрицы является гистерезисным. С 2002 г. ^[update]при калибровке датчиков влажности почвы обычно измеряются только кривые десорбции.. Несмотря на то, что это может быть источником значительной ошибки, специфический для датчика эффект гистерезиса обычно игнорируется. ^[18]

В материалах [ править ]

Магнитный гистерезис [ править ]

Когда внешнее магнитное поле применяется к ферромагнитному материалу, такому как железо , атомные домены выстраиваются вместе с ним. Даже когда поле убирается, часть выравнивания сохраняется: материал намагничивается . После намагничивания магнит будет оставаться намагниченным бесконечно. Для его размагничивания требуется тепло или магнитное поле в противоположном направлении. Это тот эффект, который обеспечивает элемент памяти на жестком диске .

Связь между напряженностью поля H и намагниченностью M в таких материалах не является линейной. Если магнит размагничен ( H = M = 0 ) и соотношение между H и M построено для возрастающих уровней напряженности поля, M следует кривой начального намагничивания . Эта кривая сначала быстро растет, а затем приближается к асимптоте, называемой магнитным насыщением . Если магнитное поле теперь монотонно уменьшается, M следует другой кривой. При нулевой напряженности поля намагниченность смещается от начала координат на величину, называемую остаточной намагниченностью.. Если соотношение HM построено для всех значений приложенного магнитного поля, результатом будет петля гистерезиса, называемая основной петлей . Ширина средней части вдвое превышает коэрцитивную силу материала. ^[19]

Более пристальный взгляд на кривую намагничивания обычно выявляет серию небольших случайных скачков намагниченности, называемых скачками Баркгаузена . Этот эффект обусловлен кристаллографическими дефектами, такими как дислокации . ^[20]

Петли магнитного гистерезиса не ограничиваются материалами с ферромагнитным упорядочением. Другие магнитные упорядочения, такие как упорядочение спинового стекла , также демонстрируют это явление. ^[21]

Физическое происхождение [ править ]

Явление гистерезиса в ферромагнитных материалах является результатом двух эффектов: вращения намагниченности и изменения размера или количества магнитных доменов . Как правило, намагниченность изменяется (по направлению, но не по величине) через магнит, но в достаточно маленьких магнитах это не так. В этих однодоменных магнитах намагниченность реагирует на магнитное поле вращением. Однодоменные магниты используются везде, где требуется сильная стабильная намагниченность (например, магнитная запись ).

Большие магниты делятся на области, называемые доменами . В каждом домене намагниченность не меняется; но между доменами находятся относительно тонкие доменные стенки, в которых направление намагниченности поворачивается от направления одного домена к другому. При изменении магнитного поля стенки перемещаются, изменяя относительные размеры доменов. Поскольку домены не намагничены в одном направлении, магнитный момент на единицу объема меньше, чем в однодоменном магните; но доменные стенки включают вращение лишь небольшой части намагниченности, поэтому изменить магнитный момент намного проще. Намагниченность также может изменяться путем добавления или вычитания доменов (так называемое зарождение иденуклеация ).

Модели магнитного гистерезиса [ править ]

Наиболее известными эмпирическими моделями гистерезиса являются модели Прейзаха и Джайлса-Атертона . Эти модели позволяют точно моделировать петлю гистерезиса и широко используются в промышленности. Однако эти модели теряют связь с термодинамикой, и согласованность энергий не обеспечивается. Более поздней моделью, имеющей более последовательную термодинамическую основу, является модель векторного инкрементного неконсервативного последовательного гистерезиса (VINCH) Лавета и др. (2011) ^[22]

Приложения [ править ]

Существует множество применений гистерезиса в ферромагнетиках. Многие из них используют свою способность сохранять память, например магнитную ленту , жесткие диски и кредитные карты . В этих приложениях желательны жесткие магниты (с высокой коэрцитивной силой), такие как железо , чтобы память не стиралась легко.

Магнитно- мягкое (с низкой коэрцитивной силой) железо используется для сердечников в электромагнитах . Низкая коэрцитивная сила снижает потери энергии, связанные с гистерезисом. Низкие потери энергии во время петли гистерезиса также являются причиной того, что мягкое железо используется для сердечников трансформаторов и электродвигателей.

Электрический гистерезис [ править ]

Электрический гистерезис обычно возникает в сегнетоэлектрических материалах, где области поляризации вносят вклад в общую поляризацию. Поляризация - это электрический дипольный момент ( С · м ^-2 или С · м ). Механизм организации поляризации в домены аналогичен механизму магнитного гистерезиса.

Переходы жидкость – твердая фаза [ править ]

Гистерезис проявляется в переходах между состояниями, когда температура плавления и температура замерзания не совпадают. Например, агар плавится при 85 ° C и затвердевает от 32 до 40 ° C. Это означает, что после того, как агар плавится при 85 ° C, он сохраняет жидкое состояние до тех пор, пока не охладится до 40 ° C. Следовательно, при температуре от 40 до 85 ° C агар может быть как твердым, так и жидким, в зависимости от того, в каком состоянии он находился раньше.

В биологии [ править ]

Клеточная биология и генетика [ править ]

Гистерезис в клеточной биологии часто следует за бистабильными системами, в которых одно и то же входное состояние может привести к двум разным стабильным выходам. Там, где бистабильность может приводить к цифровым, подобным переключателям выходным сигналам от непрерывных входов химических концентраций и активности, гистерезис делает эти системы более устойчивыми к шуму. Эти системы часто характеризуются более высокими значениями входа, необходимого для переключения в определенное состояние, по сравнению с входом, необходимого для того, чтобы оставаться в этом состоянии, что позволяет осуществить переход, который не является постоянно обратимым и, следовательно, менее восприимчивым к шуму.

Клетки, претерпевающие деление клеток, демонстрируют гистерезис в том смысле, что требуется более высокая концентрация циклинов, чтобы переключить их из фазы G2 в митоз, чем для того, чтобы оставаться в митозе после начала. ^{[23] [24]}

Биохимические системы также могут показывать гистерезисный выход, когда задействованы медленно меняющиеся состояния, которые не контролируются напрямую, как в случае остановки клеточного цикла у дрожжей, подвергшихся воздействию феромона спаривания. ^[25]Здесь продолжительность остановки клеточного цикла зависит не только от конечного уровня входящего Fus3, но также и от ранее достигнутых уровней Fus3. Этот эффект достигается за счет более медленных временных масштабов, вовлеченных в транскрипцию промежуточного Far1, так что общая активность Far1 медленно достигает своего равновесного значения, а для временных изменений концентрации Fus3 реакция системы зависит от концентрации Far1, достигаемой с помощью переходное значение. Эксперименты с этим типом гистерезиса выигрывают от возможности изменять концентрацию входных сигналов со временем. Механизмы часто выясняются, допуская независимый контроль концентрации ключевого промежуточного соединения, например, с помощью индуцибельного промотора.

Дарлингтон в своих классических работах по генетике ^{[26] [27]} обсуждал гистерезис хромосом , под которым он имел в виду «неспособность внешней формы хромосом немедленно реагировать на внутренние стрессы из-за изменений в их молекулярной спирали», поскольку они лежат в несколько жесткой среде в ограниченном пространстве ядра клетки .

В биологии развития разнообразие типов клеток регулируется сигнальными молекулами дальнего действия, называемыми морфогенами, которые формируют однородные пулы клеток в зависимости от концентрации и времени. Морфоген sonic hedgehog (Shh), например, действует на зачатки конечностей и нейральные предшественники, чтобы индуцировать экспрессию набора гомеодомен- содержащих факторов транскрипции, чтобы разделить эти ткани на отдельные домены. Было показано, что эти ткани обладают «памятью» о предыдущем воздействии Shh. ^[28] В нервной ткани этот гистерезис регулируется гомеодоменной (HD) цепью обратной связи, которая усиливает передачу сигналов Shh. ^[29]В этой цепи подавляется экспрессия факторов транскрипции Gli , исполнителей пути Shh. Glis процессируется до репрессорных форм (GliR) в отсутствие Shh, но в присутствии Shh часть Glis сохраняется в виде полноразмерных белков, которым позволено перемещаться в ядро, где они действуют как активаторы (GliA) транскрипции. . Затем, снижая экспрессию Gli, факторы транскрипции HD уменьшают общее количество Gli (GliT), поэтому более высокая доля GliT может быть стабилизирована как GliA для той же концентрации Shh.

Иммунология [ править ]

Есть некоторые свидетельства того, что Т-клетки проявляют гистерезис, поскольку для активации Т-клеток, которые были ранее активированы, требуется более низкий порог сигнала. Активация Ras необходима для последующих эффекторных функций активированных Т-клеток. ^[30] Запуск Т-клеточного рецептора вызывает высокий уровень активации Ras, что приводит к более высоким уровням GTP-связанного (активного) Ras на поверхности клетки. Поскольку более высокие уровни активного Ras накапливаются на поверхности клеток в Т-клетках, которые ранее стимулировались сильным взаимодействием с Т-клеточным рецептором, более слабые последующие сигналы Т-клеточного рецептора, полученные вскоре после этого, доставляют тот же уровень активации из-за присутствия более высокие уровни уже активированного Ras по сравнению с наивной клеткой.

Неврология [ править ]

Свойство, благодаря которому некоторые нейроны не возвращаются в исходное состояние из стимулированного состояния сразу после удаления стимула, является примером гистерезиса.

Физиология дыхания [ править ]

Гистерезис легких очевиден при наблюдении за податливостью легких на вдохе по сравнению с выдохом. Разница в податливости (Δvolume / Δpressure) обусловлена ​​дополнительной энергией, необходимой для преодоления сил поверхностного натяжения во время вдоха для набора и надувания дополнительных альвеол. ^[31]

Транспульмональное давление против Volume кривого вдоха отличается от давления по сравнению с объемом кривого выдоха, разница описывается как гистерезис. Объем легких при любом заданном давлении во время вдоха меньше объема легких при любом заданном давлении во время выдоха. ^[32]

Физиология голоса и речи [ править ]

Эффект гистерезиса может наблюдаться в начале звучания по сравнению с смещением. ^[33] Пороговое значение субгортального давления, необходимого для начала вибрации голосовых складок, ниже порогового значения, при котором вибрация прекращается, когда другие параметры остаются постоянными. При произнесении последовательностей гласный-глухой согласный-гласный во время речи внутриротовое давление ниже в начале голоса второго гласного по сравнению с голосовым смещением первого гласного, оральный воздушный поток ниже, трансглоточное давление больше и голосовая щель ширина меньше.

Экология и эпидемиология [ править ]

Гистерезис - это часто встречающееся явление в экологии и эпидемиологии, где наблюдаемое равновесие системы не может быть предсказано исключительно на основе переменных окружающей среды, но также требует знания прошлой истории системы. ^{[ необходима цитата ]} Известные примеры включают теорию вспышек червей еловой почки и поведенческие эффекты на передачу болезней.

В экономике [ править ]

Экономические системы могут иметь гистерезис. Например, показатели экспорта подвержены сильному гистерезисному эффекту: из-за фиксированных транспортных расходов может потребоваться большой толчок, чтобы начать экспорт страны, но после того, как переход будет осуществлен, для его поддержания может потребоваться немногое.

Когда какой-либо негативный шок сокращает занятость в компании или отрасли, остается меньше занятых рабочих. Поскольку обычно наемные работники имеют право устанавливать заработную плату, их уменьшенное число побуждает их торговаться о еще более высокой заработной плате, когда экономика снова станет лучше, вместо того, чтобы позволять заработной плате быть на уровне равновесной заработной платы , где спрос и предложение рабочих будут совпадать. . Это вызывает гистерезис: безработица постоянно увеличивается после негативных шоков. ^{[34] [35]}

Постоянно более высокий уровень безработицы [ править ]

Идея гистерезиса широко используется в области экономики труда, особенно в отношении уровня безработицы . ^[36]Согласно теориям, основанным на гистерезисе, серьезные экономические спады (рецессия) и / или стойкая стагнация (медленный рост спроса, обычно после рецессии) приводят к тому, что безработные теряют свои профессиональные навыки (обычно развиваются на работе) или обнаруживают, что их навыки устаревают, теряют мотивацию, разочаровываются, впадают в депрессию или теряют навыки поиска работы. Кроме того, работодатели могут использовать время, проведенное в безработице, в качестве инструмента проверки, т. Е. Чтобы отсеять менее желанных сотрудников при принятии решений о приеме на работу. Затем, во времена экономического подъема, восстановления или «бума», пострадавшие рабочие не будут участвовать в процветании, оставаясь безработными в течение длительного времени (например, более 52 недель). Это делает безработицу «структурной», т. Е.чрезвычайно сложно сократить просто за счет увеличения совокупного спроса на продукцию и рабочую силу без увеличения инфляции. То есть возможно, чтоэффект храповика в уровне безработицы существует, поэтому краткосрочный рост уровня безработицы имеет тенденцию сохраняться. Например, традиционная антиинфляционная политика (использование рецессии для борьбы с инфляцией) приводит к постоянно более высокому «естественному» уровню безработицы (более известному с научной точки зрения как НАИРУ ). Это происходит, во-первых, потому что инфляционные ожидания " липкие " вниз из-за жесткости заработной платы и цен (и поэтому адаптируются медленно с течением времени, а не являются приблизительно правильными, как в теориях рациональных ожиданий ), а во-вторых, потому что рынки труда не очищаются мгновенно в ответ на безработицу.

Существование гистерезиса было выдвинуто как возможное объяснение неизменно высокого уровня безработицы во многих странах в 1990-е годы. Гистерезис использовался, в частности, Оливье Бланшаром для объяснения различий в уровнях долгосрочной безработицы между Европой и США. Реформа рынка труда (обычно означающая институциональные изменения, способствующие более гибкой заработной плате, увольнению и найму) или сильный экономический рост со стороны спроса не могут, таким образом, сократить этот пул длительно безработных. Таким образом, конкретные целевые программы обучения представлены как возможное политическое решение. ^[34] Однако гипотеза гистерезиса предполагает, что таким программам обучения способствует постоянно высокий спрос на продукты (возможно, с политикой доходов чтобы избежать роста инфляции), что снижает затраты на переход от безработицы к более легкой оплачиваемой работе.

Дополнительные соображения [ править ]

Модели гистерезиса [ править ]

У каждого объекта, включающего гистерезис, есть модели, специфичные для объекта. Кроме того, существуют гистерезисные модели , отражающие общие характеристики многих систем с гистерезисом. ^{[1] [37] [38]} Примером является модель гистерезиса Прейзаха , которая представляет гистерезисную нелинейность как линейную суперпозицию квадратных петель, называемых неидеальными реле. ^[1] Многие сложные модели гистерезиса возникают из простого параллельного соединения или суперпозиции элементарных носителей гистерезиса, называемых гистеронами.

Простое и интуитивно понятное параметрическое описание различных петель гистерезиса можно найти в модели Лапшина . ^{[37] [38]} Наряду с плавными петлями, замена трапецеидальных, треугольных или прямоугольных импульсов вместо гармонических функций позволяет строить в модели кусочно-линейные петли гистерезиса, часто используемые в дискретной автоматике. Есть реализации модели петли гистерезиса в Mathcad ^[38] и в языке программирования R . ^[39]

Модель Bouc-Wen гистерезиса часто используется для описания нелинейных систем гистерезисных. Он был введен Буком ^{[40] [41]} и расширен Веном ^[42], который продемонстрировал его универсальность, создав множество гистерезисных паттернов. Эта модель способна фиксировать в аналитической форме ряд форм гистерезисных циклов, которые соответствуют поведению широкого класса гистерезисных систем; поэтому, учитывая ее универсальность и математическую управляемость, модель Боука – Вена быстро завоевала популярность и была расширена и применена к широкому кругу инженерных задач, включая системы с несколькими степенями свободы (MDOF), здания, рамы, двунаправленные конструкции. и крутильныереакция гистерезисных систем двух- и трехмерных континуумов, а также разжижение грунта среди других. Модель Боука – Вена и ее варианты / расширения использовались в приложениях структурного контроля , в частности, при моделировании поведения магнитореологических демпферов , устройств изоляции основания для зданий и других типов демпфирующих устройств; он также использовался при моделировании и анализе конструкций, построенных из железобетона, стали, кирпичной кладки и дерева. ^{[ необходима цитата ]}. Наиболее важное расширение модели Бук-Вен было выполнено Бабером и Нори, а затем Нури и его сотрудниками. Эта расширенная модель, названная BWBN, может воспроизвести сложное явление сдвига и защемления, которое более ранняя модель не могла воспроизвести. Модель BWBN широко использовалась в широком спектре приложений и была включена в несколько программных кодов, таких как OpenSees.

Сети [ править ]

Модель гистерезиса в динамике сетей была разработана Majdandzik et al. ^[43] В этой модели сеть имеет гистерезис от активной фазы к неактивной и наоборот. Более сложный гистерезис связанных двух сетей может иметь три состояния: оба активные, одно неработающее, одно повышенное и оба неработающие. ^[44] Индикация гистерезиса была недавно обнаружена Цзэном и др. В городском движении, когда в часы пик транспортная сеть может переходить из хорошего состояния в плохое и наоборот. ^[45]

Энергия [ править ]

Когда гистерезис возникает с обширными и интенсивными переменными , работа, выполняемая в системе, находится под графиком гистерезиса.

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Посмотрите гистерезис в Викисловаре, бесплатном словаре.

Упругий гистерезис бытовой струны исследуется в Викиверситете

• Обзор гистерезиса угла контакта
• Модель гистерезиса Прейзаха - коды Matlab, разработанные З. Сабо
• Гистерезис
• Что гистерезис?
• Динамические системы с гистерезисом (интерактивная веб-страница)
• Приложение для изменения намагничивания (когерентное вращение) ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
• Эластичный гистерезис и резинки