¿Qué es la histéresis? – Definición y bucle

¿Qué es la histéresis?

Si prestas mucha atención a tu unidad de aire acondicionado (ajustada, digamos, a 78 grados), es posible que notes que se enciende cuando la temperatura sube a 79 grados y se apaga cuando la temperatura baja a 77 grados. Este comportamiento se llama histéresis y las unidades de aire acondicionado se diseñan de esta manera deliberadamente. Si la unidad girara exactamente a 78 grados en ambas direcciones, se encendería y apagaría con mucha más frecuencia y se desgastaría más rápidamente. La histéresis hace que la temperatura a la que cambia la unidad dependa de la dirección en la que se mueve la temperatura.

Técnicamente, un sistema físico tiene histéresis cuando su salida depende de las entradas presentes y pasadas. En el caso de la unidad de aire acondicionado, el comportamiento en el punto de ajuste (78 grados en nuestro ejemplo) depende del historial de temperatura reciente: si la temperatura está subiendo 78 grados, el sistema estará apagado hasta que la temperatura alcance los 79 grados; pero si la temperatura desciende a 78 grados, el sistema estará encendido hasta que la temperatura alcance los 77 grados. La dirección del cambio de temperatura es importante, y saber cuál es esa dirección requiere conocimiento no solo de la temperatura actual, sino también de las del pasado reciente.

Tipos de histéresis

Los sistemas que presentan histéresis se dividen en dos categorías:

• Los sistemas con histéresis dependiente de la tasa tienen una memoria de entradas recientes que se desvanece con el tiempo; si la entrada deja de cambiar y esperamos lo suficiente, la salida eventualmente alcanzará el mismo valor para esa entrada en particular.
• Los sistemas con histéresis independiente de la tasa retienen una memoria permanente de ciertos patrones de entrada, e incluso el valor de estado estable de la salida depende de la naturaleza del historial de entrada.

La unidad de aire acondicionado exhibe histéresis independiente de la velocidad: en cualquier momento dado, el punto de ajuste podría ser 77 o 79 grados, por lo que si la temperatura es 78 grados y hace algo ‘externo’ para mantenerla así, como abrir una ventana, o Encienda un calentador, el estado de apagado / encendido de la unidad (que depende de la dirección en la que se movía la temperatura antes de fijarla a 78 grados) nunca cambiará.

Si describimos nuestro sistema con la ecuación y = F ( x ), donde x es la entrada, y es la salida y F es ‘el sistema’, podemos decir que un sistema con histéresis dependiente de la tasa tiene una F que hace uso de los valores actuales y recientes de x , mientras que un sistema con histéresis independiente de la tasa tiene una F que realmente cambia en respuesta a algunos patrones de entrada.

La clase completa de sistemas con histéresis (dependientes e independientes de la velocidad) es muy amplia. A menudo, un análisis de sistemas dependientes de la velocidad no requiere el concepto de histéresis en absoluto, y algunos escritores definen la histéresis solo como histéresis independiente de la velocidad.

Histéresis magnética

Uno de los ejemplos más comunes de histéresis ocurre en sistemas que involucran campos magnéticos: por ejemplo, transformadores usados ​​en equipos eléctricos y redes de distribución. En tales sistemas, se utiliza una bobina de cable portador de corriente para crear un campo magnético, y el enrutamiento de ese campo a través de un núcleo de hierro reduce en gran medida la corriente requerida para una intensidad de campo determinada. Sin embargo, el hierro también introduce histéresis en el sistema.

El hierro facilita la creación de campos magnéticos porque se comporta como si contuviera una gran cantidad de pequeños imanes que pueden girar libremente: estos se denominan dominios. En respuesta al campo de la bobina, algunos dominios se alinean y aumentan el campo total. Las corrientes pequeñas solo rotan unos pocos dominios, y si eliminamos la corriente, se desalinean rápidamente. En este rango de operación, el campo es linealmente proporcional a la corriente y no observamos histéresis.

Sin embargo, en niveles de corriente más altos, los dominios comienzan a reforzarse entre sí y permanecerán alineados si reducimos o incluso eliminamos por completo la corriente. El campo magnético aún disminuye al disminuir la corriente, pero no tan rápidamente como aumenta. El campo vs. la respuesta actual comienza a mostrar histéresis. Decimos que el núcleo se ha magnetizado. Conserva esta magnetización de forma permanente, a menos que la elevemos a una temperatura alta o apliquemos una corriente en la dirección opuesta para forzar los dominios fuera de alineación. La permanencia de este efecto es la base del almacenamiento de datos magnéticos: por ejemplo, cintas de casete y unidades de disco de computadora.

En la mayoría de las aplicaciones de energía, aplicamos una corriente alterna a la bobina para que el núcleo se magnetice primero en una dirección y luego en la otra. Un núcleo nuevo comienza sin campo, pero en el funcionamiento en estado estable, la respuesta de campo frente a corriente exhibe un bucle de histéresis . El área dentro de este bucle se puede utilizar para caracterizar la pérdida de potencia, esa parte de la potencia de entrada calienta el núcleo, en lugar de alcanzar la salida del sistema.

Resumen de la lección

La histéresis ocurre cuando la salida de un sistema depende de los valores de entrada históricos, así como del valor de entrada actual. Los sistemas con histéresis se pueden clasificar como dependientes de la tasa (donde el sistema eventualmente ‘olvida’ las entradas pasadas) o independientes de la tasa (donde el sistema retiene permanentemente esa memoria). Alguna literatura restringe la definición a la clase independiente de la tasa. Los dispositivos magnéticos a menudo muestran histéresis que surge del núcleo de hierro utilizado en el sistema; en estos sistemas podemos utilizar un bucle de histéresis para cuantificar los efectos de la histéresis en el sistema.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador