Hysterese

Uit Technotheek
Ga naar: navigatie, zoeken
Hysterese
Hysterese grafiek2.jpg
Eigenschappen
Categorie: Producteigenschappen en -functies
Originele auteur: Thijs Baltes en Matthijs Vermeulen
Jaar: 2011
Wikipedia link: Hysteresis

Inhoud

Inleiding

Hysterese is voor velen een onbekende term, ondanks dat hysterese in veel producten en vakgebieden voorkomt. Zo komt hysterese voor in de biologie, bouwkunde, economie, materialen en mechanica. We hebben ervoor gekozen om de biologie en de economie buiten beschouwing te laten en alleen de voor industrieel ontwerpers relevante onderwerpen te behandelen. Onder Beschrijving, Materialen en Toepassingen zullen we verder ingaan op de bouwkunde, materialen en mechanica.

Beschrijving

Hysterese kan het best uitgelegd worden aan de hand van de definitie die staat beschreven op Wikipedia. Deze is als volgt: “Hysterese of hysteresis (Grieks: 'het achterblijven') is het verschijnsel dat het verband tussen oorzaak en gevolg niet alleen afhangt van de grootte van de oorzaak, maar ook van de richting waarin de oorzaak verandert.” Hysterese is dus niet iets tastbaars maar een verschijnsel. Wat opvalt is dat er een verband bestaat tussen oorzaak en gevolg, maar dat dit verband niet lineair is, maar afhangt van twee grootheden, namelijk de grootte van de oorzaak en de richting van verandering. De grootte van de oorzaak is in veel oorzaak-gevolg verbanden belangrijk. Dat de richting van de oorzaak belangrijk is in het verband komt enkel bij hysterese voor. Hieraan is hysterese duidelijk te herkennen.

Het verschijnsel hysterese is ook in een grafiek uit te drukken. De grafiek wordt een hysterese-lus genoemd. De theoretische grafiek is hieronder te zien.

400px

De bovenstaande grafiek kan als volgt gelezen worden: Bij een groter wordende oorzaak zal het gevolg ook toenemen in grootte. Dit blijft doorgaan tot het punt dat de oorzaak wordt omgedraaid of het een grenswaarde heeft bereikt. Wanneer de oorzaak omdraait bij een lineair verband zal het via dezelfde weg teruggaan. Echter bij hysterese heeft het omdraaien van de oorzaak een vertraging ten gevolg (het horizontale lijnstuk), waarna het gevolg ook lager wordt. Als de oorzaak weer wordt omgedraaid en weer zal toenemen, zal er opnieuw een vertraging zitten in het gevolg, waarna het gevolg weer toeneemt.

In de praktijk zal de grafiek er zoals hieronder uitzien.

Hysterese grafiek2.jpg

Bij de nieuwe grafiek is de richting en de vertraging nog steeds te herkennen. Wat er extra bijkomt is een startpunt (de oorsprong), waarbij er nog geen oorzaak is. Vanaf dit punt verkrijgt het materiaal een positieve of negatieve oorzaak. Om dan in een neutrale positie terug te komen (dus x=0), moet de oorzaak worden omgedraaid. Hierbij zal de neutrale positie nooit worden bereikt bij hetzelfde gevolg, dus in de oorsprong (Bij X0 = x1 =0, y0 ≠ y1)

Materialen

Hysterese komt voor in verschillende materialen. Wij behandelen hier de twee belangrijkste voorkomingsvormen, namelijk ferromagnetisme en ferro-elektriciteit.

Ferromagnetische materialen

Wanneer een ferromagnetisch materiaal bij een magnetisch veld wordt gehouden, zal het materiaal magnetische eigenschappen verkrijgen. Denk hierbij aan een paperclip die je naast een magneet houdt. Op het moment dat de paperclip er een tijdje ligt en je haalt de magneet weg dan zal de paperclip ook magnetisch zijn. De hystereselus die in deze te vinden is, lijkt op het plaatje hierboven. In de oorsprong heeft het materiaal geen magnetische eigenschappen. Daarna zal het magnetisch worden tot het punt waarop het niet verder kan. Om je materiaal weer gedemagnetiseerd te krijgen, zal het veld moeten worden omgedraait. Wanneer de lijn op de y-as komt is het materiaal niet meer magnetisch. Echter wanneer het veld dan niet wordt weggehaald, zal het veld doorschieten en zal het materiaal een tegenovergestelde polariteit krijgen (dus plus wordt min en visa versa).

Ferro-elektrische materialen

Ferro-elektriciteit is een eigenschap van sommige materialen die een spontane elektrische polarisatie hebben die kan worden omgedraaid met een extern elektrisch veld.

Ferro-elektrische materialen kunnen gebruikt worden om een afstembare condensator te maken. Zo’n condensator bestaat uit twee elektrodes waartussen een ferro-elektrisch materiaal zit. Ze kunnen grote absolute waarden verkrijgen en zijn daarom een stuk kleiner dan een condensator met een dielektricum van waarden met dezelfde grote.

De polarisatie van een ferroelektrisch materiaal vertoont qua grafiek dezelfde karakteristieke lusvorm. Eerst zal het materiaal een spontane polariteit gaan vertonen. Het verkrijgt dus een lading. Als men er dan de innelijke structuur van het materiaal verandert zal de polariteit ook veranderen. De innerlijke structuur is te veranderen door het toebrengen van een verandering van kracht (piëzoelektriciteit) en/of warmte (pyroelektriciteit).

Wanneer men bijvoorbeeld een omgekeerd elektrisch veld op het materiaal zet zal de polariteit zich omkeren en verkrijgt het een kleine stroom. Bij het weghalen van het veld onthoudt het materiaal zijn status en dus kan het worden gebruikt als geheugen. Om de polariteit weer om te draaien moet er een omgekeerd elektrisch veld worden bijgehouden.

Door de symmetrie in de condensatoren kunnen ze ook worden gebruikt als piëzo- of pyroelementen. Door de combinatie van geheugencel en piëzo- of pyroelement zijn er vele toepassingen voor de condensatoren, zoals sensoren.

Rubber

Rubber vervormt anders wanneer je het uitrekt dan wanneer het terugschiet tot zijn oorspronkelijke vorm. Ook hier zie je een hysterese-lus hoewel vaak minder mooi qua vorm dan de afgebeelde hysterese-lus.

Toepassingen

Schmitt trigger

De schmitt trigger is een makkelijk voorbeeld van hysterese. Het is een schakelaar die gebruikt wordt in de elektronica. De belangrijkste eigenschap van de schmitt trigger in vergelijking met andere schakelaars zijn de twéé spanningsdrempels. Om hysterese in de schmitt trigger uit te leggen gebruiken we een afbeelding met daarin de ingangsspanning (U), het uitgangssignaal bij een schakelaar zonder hysterese (A) en het uitgangssignaal bij een schmitt trigger (B).

300px

In het diagram van de ingangsspanning zijn totaal drie drempelwaarden weergeven, resp. de rode lijn die het omslagpunt is voor schakelaar A en de twee groene lijnen die dienen als omslagpunten voor de Schmitt-trigger. Dit geeft direct het verschil tussen A en B weer. Zodra het signaal bij A het omslagpunt passert slaat het signaal om van hoog naar laag, terwijl er bij B tussen de twee omslagpunten een zogenaamde ‘neutrale zone’ is. Bij B onthoudt de schmitt trigger zijn oude waarde als deze de ‘neutrale zone’ bereikt. Was het signaal hoog dan blijft hij hoog en andersom geldt hetzelfde. Als later weer deze oude waarde wordt bereikt, slaat de schakelaar niet weer om. Enkel als de andere drempelwaarde wordt bereikt, schakelt de schakelaar om en onthoudt de schmitt trigger deze waarde. Er is dus sprake van een verband tussen oorzaak en gevolg en dit verband is afhankelijk van de grootte en richting van de oorzaak (de ingangsspanning). De schmitt trigger schakelt minder vaak om dan de andere schakelaar. Dit fenomeen komt ook voor in de thermostaat.

Thermostaat

Stel je hebt een kamer die verwarmt moet worden, zodat het er 20 graden celsius is. Om deze kamer op temperatuur te houden is er de thermostaat. De thermostaat werkt met twee drempelwaarden, waartussen de temperatuur kan schommelen. Stel de onderste drempelwaarde is 18,5 graden en de bovenste drempelwaarde is 21,5. De gemiddelde temperatuur is nu 20 graden. De thermostaat werkt nu als volgt: Wanneer de temperatuur onder de 18,5 graden is, zal de thermostaat zichzelf activeren en de kamer verwarmen. Echter als de temperatuur boven de 21,5 graden komt zal hij zichzelf uitzetten. Zo fluctueert de waarde van de temperatuur tussen de 18,5 en 21,5. Echter wanneer de temperatuur 19 graden is kan het zijn dat de thermostaat aan staat en opwarmt of uit staat en afkoelt. Hierin kun je de hysterese-lus weer herkennen.

Infraroodcamera

Omdat een ferroelektrisch materiaal zowel kan dienen als condensator als pyro-element, kan er met deze componenten een infraroodcamera gebruikt worden, die wanneer de condensator goed genoeg is, een warmteverschil tot op de miljoenste graad nauwkeurig kan worden gemeten.

Ultrasone apparaten in ziekenhuizen

Het idee is hier dat de patient in het apparaat gaat liggen en wordt bestraald, waarbij de straling terugkaatst op eventuele tumoren of dergelijke al dan niet kwaadaardige cellen.

Veren

In veren komt hysterese voor. Zo kan er aan de hand van de hysterese-lus een onderscheid gemaakt worden tussen stugge en slappe veren. Als de hysterese-lus smal is, betekent dit dat er weinig vertraging plaats vindt, dus dat de veer slap is. Omgekeerd betekent een brede hysterese-lus een grote vertraging, dus een stugge veer. Een product in het dagelijks leven waarbij deze kennis belangrijk is, zijn matrassen.

Voordelen

In de voorgaande voorbeelden van het gebruik van hysterese zijn al enkele voorbeelden genoemd. Het grootste voordeel van hysterese is het geheugenaspect. Hiervan zijn veel apparaten die wij in ons dagelijks leven gebruiken afhankelijk. Denk hierbij bijvoorbeeld aan computers. Daarnaast is het geheugenaspect ook van groot voordeel bij de thermostaat. Hierdoor hoeft de thermostaat niet de hele tijd aan te staan, maar blijft de kamer wel op de juiste temperatuur. Bij matrassen kan kennis over hysterese van voordeel zijn om de goede veer uit te kiezen. Zo zorgt een brede hysterese-lus van een veer voor een stijf matras en een smalle hysterese-lus voor een zacht matras.

Nadelen

Als nadelen van hysterese kun je denken aan processen waarbij geen hysterese gewenst is, maar er toch hysterese speelt. Zo wordt het lastig, wanneer de twee omslagpunten van een signaal dicht bij elkaar liggen om te voorspellen hoe vaak en wanneer precies het signaal omslaat. Hiervoor is een lineaire verhouding tussen oorzaak en gevolg gewenst en geen lusvorm zoals bij hysterese.

Bronnen

Persoonlijke instellingen
Naamruimten
Varianten
Handelingen
Navigatie
Hulpmiddelen