Histereza - zjawisko zależności aktualnego stanu układu od stanów w poprzedzających chwilach. Inaczej - opóźnienie w reakcji na czynnik zewnętrzny. Zjawisko odkrył i nazwał James Alfred Ewing w roku 1890. Najbardziej znane przypadki histerezy występują w materiałach magnetycznych, głównie w ferromagnetycznych, gdzie przemagnesowanie następuje dopiero po pewnym okresie działania zewnętrznego pola magnetycznego. Histereza występuje także w układach mechanicznych (materiały elastyczne) oraz w procesie adsorpcji.

Na wykresie dwóch zależnych od siebie wielkości, zjawisko histerezy pokazywane jest naczjęściej jako pętla. W przypadku braku histerezy wykres jest topologicznie równoważny pojedynczej krzywej (ewentualnie prostej dla materiałów liniowych).

Tzw. histereza kapilarna dotyczy izoterm adsorpcji na materiałach porowatych posiadających pory w kształcie otwartych obustronnie cylindrów lub butelek i oznacza inny przebieg adsorpcji (przy podwyższaniu ciśnienia adsorbatu) i desorpcji (przy obniżaniu ciśnienia). Zjawisko to jest wykorzystywane m.in. do badania struktury porowatych ciał stałych.

Histereza magnetyczna

Rodzina pętli histerezy B=f(H) dla orientowanej blachy elektrotechnicznej, na wykresie zaznaczono remanencję B_R oraz koercję H_C.

Pierwotnie histereza była postrzegana jako problem, ponieważ jej pole powierzchni jest wprost proporcjonalne do strat mocy podczas okresu przemagnesowania. Niemniej jednak histereza jest problemem tylko w przypadku materiałów magnetycznie miękkich, w których poprzez odpowiedni skład chemiczny, obróbkę plastyczną i obróbkę termiczną dąży się do minimalizacji jej powierzchni. Najlepsze materiały magnetycznie miękkie mogą posiadać koercję nawet mniejszą niż 0,1 A/m (np. kobaltowa amorficzna taśma magnetyczna).

Materiały magnetycznie półtwarde są wykorzystywane do zapisu informacji komputerowych w twardych dyskach, dyskietkach, taśmach magnetycznych, kartach kredytowych, itp. Po namagnesowaniu fragmentu materiału półtwardego i usunięciu pola magnesującego materiał taki cyfrowe i analogowe (np. kasety VHS lub magnetofonowe) opartych o materiały magnetyczne. W materiałach magnetycznie półtwardych powierzchnia pętli histerezy jest optymalizowana jako kompromis pomiędzy ilością energii zgromadzonej w magnetyku a łatwością jego przemagnesowania (łatwością odczytu/zapisu informacji). Wartości stosowanych koercji materiałów magnetycznie półtwardych są pośrednie pomiędzy materiałami miękkimi i twardymi (jednak bardziej w kierunku materiałów twardych - stąd też nazwa półtwarde).

W materiałach magnetycznie twardych (czyli w magnesach trwałych) parametrem najważniejszym jest ilość zgromadzonej energii magnetycznej, toteż dąży się do osiągnięcia maksymalnej szerokość pętli histerezy. Parametrem charakterystycznym każdego magnesu jest wartość (B·H)_max, którą wylicza się jako wartość maksymalną iloczynu BH z fragmentu histerezy leżącego w drugiej ćwiartce układu osi współrzędnych (tzw. krzywa odmagnesowania). W najnowszych materiałach magnetycznie twardych wartość koercji może osiągać nawet powyżej 20 MA/m.pozostaje namagnesowany np. do wartości +B_R, co może być uznane za logiczną jedynkę. Logiczne zero uzyskiwane jest albo poprzez rozmagnesowanie materiału, albo też przez jego namagnesowanie do stanu -B_R. Odczytanie zapisanej informacji polega po prostu na wykryciu wartości pola magnetycznego na powierzchni takiego materiału. Ta prosta metoda jest wykorzystywana we wszystkich typach urządzeń przechowujących informacje

Histereza kapilarna jest zjawiskiem dotyczącym izoterm adsorpcji na materiałach porowatych posiadających pory w kształcie otwartych obustronnie cylindrów, butelek, beczek lub szczelin i oznacza inny przebieg (inaczej histerezę) izotermy adsorpcji przy podwyższaniu ciśnienia adsorbatu (gałąź adsorpcyjna izotermy) i przy obniżaniu ciśnienia (desorpcja, gałąź desorpcyjna izotermy). Zjawisko to jest wykorzystywane m.in. do badania struktury porowatych ciał stałych a także prowadzi do istotnego zwiększenia efektywnej pojemności adsorpcyjnej adsorbentów

Kondensacja kapilarna

Kondensacją kapilarną nazywamy obniżenie ciśnienia (w porównaniu z kondensacją na powierzchni płaskiej) przy którym para cieczy gwałtownie zapełnia por (szczelinę) o niewielkiej średnicy. Adsorpcja w mezoporach przebiega w różny sposób w zależności od wielkości ciśnienia (w stosunku do ciśnienia pary nasyconej, p_s, kształtu i rozmiaru poru, a także w zależności od tego czy ciśnienie jest zwiększane lub zmniejszane i jaka ilość adsorbatu już w porach się znajduje. W przypadku obustronnie otwartych cylindrów oraz butelek, przy podnoszeniu ciśnienia adsorbatu (tzw. gałąź adsorpcyjna izotermy) przy pewnej wartości ciśnienia wzglednego x = p/p_s następuje gwałtowne zapełnienie tych porów adsorbatem, czyli kondensacja. Podobnie przy obniżaniu cisnienia (gałąź desorpcyjna izotermy) po zapełnieniu porów adsorbentu adsorbatem (nasycenie) ale przy innym, niższym ciśnieniu następuje gwałtowne odparowanie adsorbatu z porów (ewaporacja). Znając kształt porów można przy wykorzystaniu równania Kelvina określić średnicę porów oraz ich ilość (łączną objetość identycznych porów).

Równanie Kelvina

Równanie Kelvina (William Thomson, Lord Kelvin) określa wielkość obniżenia lub podwyższenia ciśnienia pary nad meniskiem cieczy w zależności od jego krzywizny:

gdzie: r_{K, x} i r_{K, y} to promienie krzywizny menisku w 2 prostopadłych do siebie płaszczyznach xz, yz, σ - napięcie powierzchniowe ciekłego adsorbatu, V_m - objętość molowa adsorbatu, R - stała gazowa, T - temperatura bezwzględna, p_s - ciśnienie pary nasyconej nad płaską powierzchnią ciekłego adsorbatu, p_c - ciśnienie pary nad meniskiem przy którym nastąpi kondensacja lub odparowanie.

• Jeżeli menisk jest wklęsły (np. wewnątrz poru adsorbentu) - we wzorze r_K > 0 - wówczas następuje obniżenie ciśnienia pary przy którym następuje kondensacja lub odparowanie.

• Jeżeli menisk ma kształt wypukły (np. powierzchnia kulistej cząstki stałej lub ciekłej) - we wzorze r_K < 0 - ciśnienie pary konieczne do kondensacji lub odparowanie ulega podwyższeniu.

• Jeżeli menisk ma kształt siodła to w zależności od wypadkowej obu krzywizn nastąpi podwyższenie lub obniżenie ciśnienia kondensacji pary.

Menisk cylindryczny

Dla menisku wewnątrz obustronnie otwartego poru cylindrycznego, można przyjąć: r_K = r_{K, x} > 0 oraz r_{K, y} = 0, stąd:

Menisk sferyczny

Dla menisku sferycznego, r_K = r_{K, x} = r_{K, y} > 0, stąd:

Powstanie histerezy

To gwałtowne zapełnienie porów (kondensacja) oraz ich opróżnienie (odparowanie, ewaporacja), następuje przy określonych wynikajacych z równania Kelvina wartościach ciśnienia, niższych niż ciśnienie pary nasyconej adsorbatu. Wielkość obniżenia ciśnienia zależy od średnicy poru (a właściwie tworzącego się w danych warunkach menisku adsorbatu, oraz jego kształtu. Największe obniżenie następuje w przypadku menisku sferycznego a mniejsze dla menisku cylindrycznego. Por cylindryczny przed zapełnieniem zawiera cylinryczny menisk adsorbatu, natomiast po całkowitym zapełnieniu poru adsorbatem, otwarte są jedynie oba końce kapilary o przekroju kołowym gdzie tworzy się menisk o podobnym promieniu krzywizny ale sferyczny i odparowanie następuje przy innym ciśnieniu. W butelkowym porze sferycznym przy adsorpcji mamy do czynienia z dużym sferycznym meniskiem we wnętrzu "bańki" poru, przy odparowaniu równowaga tworzy się pomiędzy fazą gazową a sferycznym meniskiem w wąskiej "szyjce" poru, a więc przy zachowaniu typu poru zmienia się jego średnica.

UWAGA. Za por butelkowy uznajemy tu każdy taki por gdzie wejście do poru ma mniejszą średnicę niż jego wnętrze. Podobnie będzie się zachowywać obustronnie otwarty por beczkowaty, ale oczywiście ze względu na inne promienie krzywizny zmiana ciśnienia kondensacji będzie różna od poru cylindrycznego czy sferycznego. Jednak obniżenie ciśnienia odparowania z poru o otworze o przekroju kołowym zależy wyłącznie od średnicy otworu a nie od rzeczywistego kształtu zapełnionego adsorbatem poru.

---