Hysterese

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Diagram van eenvoudige hysterese

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 wordt veroorzaakt doordat een systeem bij dezelfde externe factoren (oorzaak) twee verschillende stabiele toestanden (gevolg) heeft. Dit noemt men bistabiliteit. Wanneer het systeem naar de andere toestand overgaat zal het anders op externe veranderingen reageren.

Een typisch voorbeeld van hysterese is de thermostaat. Deze heeft een in- en uitschakeltemperatuur. Wanneer de temperatuur onder de inschakeltemperatuur daalt, schakelt de thermostaat de verwarming aan. Wanneer nu de temperatuur begint te stijgen wordt de verwarming niet meteen uitgeschakeld want dan zou het systeem voortdurend worden in- en uitgeschakeld (het zogenaamde 'pendelen'). De thermostaat schakelt de verwarming pas uit wanneer de uitschakeltemperatuur wordt bereikt. Tussen deze twee temperaturen kan de verwarming aan of uit staan, afhankelijk van het voortraject (opwarming of afkoeling).

Van schijnbare hysterese is sprake wanneer na een lange opbouw van veranderende omstandigheden sprake is van een snelle omslag, waarna de omstandigheden weer tot ver beneden het eerdere omslagpunt moeten terugveranderen voordat de tegenovergestelde omslag plaatsvindt.

Een ander bekend voorbeeld van hysterese in de biologie is de omslag van een plantenrijk watermilieu in een algensoep als gevolg van eutrofiëring. De omslag naar beide relatief stabiele vormen vindt plaats bij een hoog fosfaat- en nitraatgehalte voordat er sprake is van algenbloei en een laag gehalte om weer tot een plantenrijk milieu te komen. Daarnaast zijn het voorkomen van een zaadbank, en het bestaan van een vispopulatie met brasem factoren die een belangrijke rol spelen. Dit zijn factoren die niet van de ene op de andere dag wijzigen; bij een actief biologisch beheer kunnen vissen weggevangen worden en planten gezaaid om het omslagpunt naar voren te halen.

Combinatie van hysterese en verzadiging van magnetisme in ferromagnetisch materiaal

In de natuurkunde en de materiaalkunde is bijvoorbeeld sprake van hysterese in ferromagnetisch materiaal, wat is weergegeven in de figuur hier rechts. Op de x-as staat de magnetische veldsterkte en op de y-as de mate van magnetisatie. Als er geen magnetisch veld is, is er (in het begin) ook geen magnetisatie en beginnen we in de oorsprong. Zodra er een magnetisch veld wordt aangelegd, zal de ferromagneet magnetisch worden. Dit gaat door totdat alle gebieden van Weiss in het materiaal dezelfde kant op staan. Het materiaal is nu maximaal gemagnetiseerd en verhoging van het magnetisch veld heeft geen invloed meer op de mate van magnetisatie. Als het magnetisch veld wordt verlaagd, zullen de grenzen van de Weissgebiedjes gedeeltelijk op hun plek blijven. Pas zodra het veld meer negatief wordt, zal de totale magnetisering ook van teken veranderen. Dit gaat door totdat alle spins de andere kant op staan en de magnetisatie volledig is omgedraaid. Overigens is hier sprake van nog drie andere elementen niet-lineariteit: een kromme karakteristiek, een dode zone en verzadiging.

In de elektrotechniek komt hysterese voor bij de Schmitt trigger; door een meekoppel-circuit in een comparator leiden kleine ruissignalen niet tot omslagen in de uitgang, maar leidt bijv. een ingangssignaal van 3 Volt en hoger tot een AAN-uitgangssignaal terwijl bij een ingangssignaal van 2 Volt en minder pas de omslag naar een UIT-signaal tot stand komt. De hysterese is dan 3V - 2V = 1 Volt. In een elektronische thermostaat wordt dit principe toegepast.

Hysterese is ook het verschijnsel dat optreedt bij afvoeren in een rivier. Bij het zogenaamde Q-h-diagram, dat een relatie legt tussen het debiet (Q) en de waterstand (h) in een rivier, kan het zo zijn dat er een afwijkende afvoer is bij eenzelfde waterstand. Normaliter is het zo dat bij eenzelfde waterstand eenzelfde debiet (afvoer) optreedt. Nu kan het echter zo zijn dat bij een toenemende waterstand (wassend water) de afvoer hoger is dan bij een afnemende waterstand (vallend water) bij dezelfde waterstand.