Hüsteerism – mäluefekt füüsikas: definitsioon, põhjused ja näited

Hüsteerism ehk mäluefekt tähendab, et süsteemi väljund ei sõltu üksnes käesolevast sisendist, vaid ka varasemast sisendi muutuste ajaloost. See juhtub seetõttu, et süsteemil on sisemine olek, mis kannab endas mäluteavet ja mõjutab käitumist – tulevased väljundid on määratud kas selle sisemise seisundi või kogu varasema ajalooga. Sellist käitumist näeme paljudes füüsikalistes ja tehnilistes süsteemides, kus sisend–väljund-seos ei ole üheselt määratud, vaid sõltub trajektoorist.

Põhjused ja mehhanismid

Hüsteerismi tekkeks võivad olla erinevad füüsikalised mehhanismid:

• Energiabarjääride ja takistuse efektid – näiteks ferromagnetilistes materjalides liigutavad domaineid takistused ja pinning‑punktid, mistõttu magnetiseerumine ja demagnetiseerumine ei lange kokku.
• Interne olek ja aeglasemate protsesside mõju – viskoelastsetes materjalides ja vormimälusulades sõltub deformeerumine sisemisest struktuurist, mis taastub aeglasemalt kui väline koormus muutub.
• Dissipatsioon ja hõõrdumine – mehaanilises hüsteerismis (nt kummipaelad) kulub tsükliliselt energiat, mis väljendub hüsteeresisilmuse pinnaga stress‑pingemuudatuses.
• Aeg‑ või sagedussõltuvus – kui sisend muutub kiiresti, ei jõua süsteemi sisemised protsessid kohaneda; see toob esile kiirusest sõltuva hüsteerismi, mis kipub kaduma, kui sisendi muutus on väga aeglane.

Tüübid ja tähendused

• Kiirusest sõltuv hüsteerism – hüsteerism, mis tekib viivituse või inertiast tuleneva reaktsiooni tõttu; nõrknev või kadumine aeglastel muutustel.
• Kiirusest sõltumatu (püsiv) hüsteerism – mäluefekt, mis ei kao sõltuvalt sisendi muutmise kiirusest; näiteks magnet- ja ferroelektrilised materjalid, kust jääb alles remanents.
• Silmused ja alam‑silmused – kui sisend tsükliliselt varieerub, tekib hüsteeresisilmus (nt B–H kõver), mille pind näitab energia kadumist; sisemistes protsessides võivad tekkida ka väikesed „minor“‑silmused, kui sisend ei jõua saturatsiooni.

Näited

• Magnetne hüsteerism: ferromagnetilistes materjalides tekib B–H kõver (magnetiseeritus vs magnetvälja tugevus) koos remanentsi ja koersiivsusega.
• Ferroelektriline hüsteerism: elektrilise väli P–E kõver, kus jääb materjali sisemine polariseeritus pärast väli eemaldamist.
• Mehaaniline hüsteerism: kummipaelade ja muude polümeeride deformatsioon, kus koormuse vähendamisel ei taastata originaalset kujut kohe ja energia on dissipatsiooni tõttu kadunud.
• Vormimälusulamad: materjalid, mis „mäletavad“ algasendit ja taastuvad kuumutamisel, näitavad ajas ja temperatuuris sõltuvat hüsteerilist käitumist.
• Praktilised süsteemid: paljud seadmed on disainitud hüsteerismi kasutades või taludes – näiteks termostaadid (et vältida pidevat sisse‑välja lülitamist), elektroonilised lülitusskeemid ja mäluelemendid (magnetilised kettaalused, sensori‑ja kontrollerlahendused).

Mõõtmine ja modelleerimine

Hüsteerist kirjeldatakse tihti sõltuvusena väljundi ja sisendi trajektoorist, mida joonistatakse sisendi‑väljundi telgede vahele – tuntud näide on magnetiseerimiskõver B(H) või pingestamiskõver stress‑strain. Kõverate silmuse pind näitab tsüklilist energia kadu.

Matemaatilises modelleerimises kasutatakse mitmeid lähenemisi:

• Preisach‑mudel – superpositsioonimudel, mida kasutatakse laialdaselt magnetilise hüsteerise kirjeldamiseks kui hulgast elementaarsetest lülitustest koosnevat operaatorit.
• Jiles–Athertoni mudel – füüsikapõhine mudel ferromagnetilise hüsteerise jaoks, mis võtab arvesse magnetilisele protsessile omaseid pinning‑efekte.
• Bouc–Wen ja sisemiste olekute mudelid – kasutatakse mehaanilise ja seismilise hüsteerise modelleerimiseks, samuti juhtimissüsteemides, kus vajalik on sujuv, diferentseeruv kirjeldus.
• Aeg‑sõltuvad diferentiaalvõrrandid – hüsteerism, mis sõltub kiirusest ja viskoelastsest lagunemisest, modelleeritakse tihti täiendavate siseolekumuutujatega.

Praktilised tagajärjed ja kasutus

• Hüsteerism põhjustab energia kadumist tsüklilistes protsessides (nt magnetiline või mehaaniline soojus), mida tuleb arvesse võtta masina‑ ja seadmekonstruktsioonis.
• See võib olla nii probleem (näit. täpsust vähendav kõrvalmõju sensori‑süsteemides) kui ka kasulik omadus (näit. varieeruvuse vältimine thermostaatides või lülitustes, andmemälu kasutamine magnetilistes salvestites).
• Materjali‑jaotuse, temperatuuri ja töötingimuste muutus mõjutab hüsteerise kuju ja ulatust — näiteks sageduse tõusga suureneb kiirusest sõltuv hüsteerism.

Kokkuvõttes on hüsteerism laialt levinud nähtus, mis ilmneb paljudes füüsikalistes ja tehnilistes kontekstides. Mõistes selle põhjuseid, tüüpe ja modelleerimise võimalusi, saab hüsteerist kas vähendada või sihipäraselt kasutada vastavalt rakenduse nõudmistele.

Küsimused ja vastused

K: Mis on hüsteerism?

K: Miks mõjutab hüsteerise puhul süsteemi väljundit varasemate sisendite ajalugu?

K: Mida on vaja hüsteerilise süsteemi tulevaste väljundite prognoosimiseks?

K: Milline on hüsteerismi mõju?

K: Kas hüsteerismi mõju kaob, kui sisend muutub aeglasemalt?

K: Mis on kiirusest sõltuv hüsteerism?

K: Millistes materjalides esineb hüsteerism?

Otsing