磁滯現象簡介：與速率相關和與速率無關的磁滯現象

本文是磁滯系列文章的第二篇，解釋了工程系統中發現的兩種磁滯類型。

在前一篇文章中，我介紹了磁滯的概念，并解釋了磁滯系統的輸出如何依賴于輸入的當前狀態和系統的歷史。在這篇文章中，我想提供一個更完整的理論圖片，通過檢查率依賴和率無關磁滯之間的差異。我們還將研究磁滯和功耗之間的關系。

磁滯和延遲

之前，我引用了磁滯的四個定義。我們當時討論了其中兩個，現在我們將討論另外兩個：

“由于產生效應的機制發生變化而引起的觀察效應變化的磁滯”，《牛津電子與電氣工程詞典》。

“由于摩擦等阻力導致的預期值的磁滯效應”—牛津化學工程詞典。

這里描述的延遲和磁滯效應主要與所謂的速率相關磁滯有關。我之所以說“所謂”是因為延遲響應可以是簡單的正弦相位磁滯。在我看來，這不符合真正的磁滯。

然而，這個術語背后的邏輯如下：與速率相關的磁滯取決于變化率，換句話說，就是輸入信號的頻率。在特定頻率下，速率相關磁滯效應會更為明顯。

例如，低通濾波器會導致相位磁滯。如圖1所示，該相位磁滯并非在所有頻率下都相等。相反，輸入到輸出相位延遲的幅度從零開始，并隨著輸入頻率的增加而增加。因此，低通濾波器的相位磁滯表示與速率相關的磁滯。

低通濾波器的正弦相位磁滯。

圖1。低通濾波器的相位磁滯。

與速率無關的磁滯，這是我們在上一篇文章中主要討論的，會產生不受輸入頻率影響的效果。速率無關磁滯的一個例子是比較器，其具有用于增加輸入信號和減少輸入信號的單獨閾值。無論輸入頻率如何，這些單獨的閾值都會影響輸出行為。

磁滯理論中時滯與系統歷史的協調

“延遲”的定義與“系統歷史”的定義并不一致，因為我們可以將與速率無關的磁滯視為與速率相關的磁滯的更極端形式。讓我們看一看圖2，它再現了前一篇文章中的數字磁滯圖。

磁滯作為傳遞函數而不是曲線。

圖2。“數字”磁滯。

我們可以在這里看到，當增加的輸入超過較低的閾值時，輸出不會改變狀態。它也不會在兩個閾值之間的中點改變狀態，我們期望閾值位于沒有磁滯的情況下。這種類型的磁滯會產生延遲，但也會產生更為顯著的非線性行為。

例如，假設我們使用的是5 V供電的邏輯門，輸入電壓從0 V開始逐漸增加。在沒有磁滯的情況下，我們可能期望閾值為2.5 V。但是，如果門設計有磁滯，實際閾值可能為2.25 V和2.75 V。在這種情況下，當輸入達到2.5 V時，輸出將不會轉換-它必須達到更高的閾值2.75 V。

這構成了對輸入刺激的預期反應的延遲。然而，我們需要認識到，如果輸入從未達到更高的閾值，那么輸出將永遠不會轉換，這不僅僅是一個延遲。如果輸入減少且從未達到較低閾值，則輸出也不會轉換。

磁滯和功耗

上面提到的一個定義是指由“摩擦等阻力”引起的磁滯。在結束之前，我想對這個細節進行評論。

在機械系統中，摩擦是無意識功率耗散的普遍來源。電系統中的磁滯也是導致能量浪費的“電阻”來源。例如，考慮一個交流信號驅動一個磁性元件，如鐵芯變壓器。信號必須提供額外的能量，以響應磁性材料的固有磁滯。

更嚴重的磁滯趨勢需要更多的額外能量。材料磁滯曲線中兩條曲線所包圍的區域對應于不需要的功率耗散量。

實際上，這種功耗并不總是不需要的。由于鐵氧體具有很強的磁滯特性，所以我們在電源或USB電纜周圍看到的鐵氧體環能夠抑制高頻噪聲（圖3）。交流噪聲信號與鐵氧體材料之間的相互作用導致噪聲能量以熱的形式耗散。

鐵氧體磁滯曲線。

圖3。鐵氧體磁滯曲線。

你們可以閱讀更多關于電磁學和磁滯回線在第14章的所有關于電路電氣工程教科書。

下一篇

在這篇文章和上一篇文章中，我們關注磁滯的基本理論。下一次，我們將探討磁滯在電子電路中的實際意義。