ヒステリシスとは：物理学の定義・仕組みと磁性・材料・応用例
ヒステリシスの定義と仕組みを図解でわかりやすく解説。磁性・材料での現象と実用的な応用例、工学やデバイスでの利用まで紹介。
ヒステリシスは物理学の概念の一つで、系の出力が現在の入力だけでなく過去の入力履歴にも依存する現象を指します。たとえば、あるシステムの将来の出力を正確に予測するには、そのシステムの現在の内部状態か、あるいは入力の履歴のいずれかを知らなければなりません。これは履歴が内部状態に影響を与え、その内部状態が出力に反映されるためです。
仕組みと分類
ヒステリシスは一般に「パス依存性（経路依存性）」を伴い、同じ入力値でも入力が増加してきた経路と減少してきた経路で出力が異なることが多いです。この差はしばしばヒステリシスループ（入力-出力グラフに現れる閉じたループ）として可視化されます。原因としては内部摩擦、エネルギー散逸、遅延した応答、相転移やドメイン構造の変化などが挙げられます。
ヒステリシスは大きく分けて次のように分類できます。
- レート非依存（記憶性ヒステリシス）：入力の変化速度に依存せず、主として系の内部状態（例：磁区配列や残留分極）が履歴を保持する場合に現れる。
- レート依存：入力と出力の間に時間遅れ（ラグ）があり、入力の変化速度が速いほど出力が追随できないためにヒステリシスが現れる。遅い変化ではヒステリシスが小さくなる傾向がある。
磁性材料と強磁性ヒステリシス
ヒステリシスは特に強磁性体で顕著です。外部磁場を変化させると、磁化（BやM）の応答が入力磁場Hに対して遅れ、B-H曲線上にヒステリシスループが現れます。ループの特徴量としては
- 残留磁化（remanence）：外部磁場をゼロにしても残る磁化
- 保磁力（coercivity）：残留磁化をゼロにするために必要な逆向き磁場の大きさ
- ループ面積：一周期あたりのエネルギー損失（ヒステリシス損）に対応する
磁性ヒステリシスは磁気記録、トランス、モータなどで重要で、材料設計では保磁力や損失を制御することが課題となります。数学モデルとしてはPreisachモデルやJiles-Athertonモデルなどがあり、実験的にB-Hループを測定して特性を評価します。
強誘電体・圧電体におけるヒステリシス
強誘電体でも電場と分極の間にヒステリシスが現れます。外部電場を変化させると分極Pの応答がループを描き、残留分極や反転電圧（coercive field）が定義されます。これらの性質は不揮発性メモリ（FeRAM）や圧電デバイスで利用・考慮されます。
機械的ヒステリシスとその他の例
ゴムやポリマー、形状記憶合金のような材料では応力-ひずみ（応力−歪み）関係にヒステリシスが現れます。たとえば輪ゴムを引っ張って戻す過程では伸びと戻りで異なる応力経路をたどり、エネルギーが熱として散逸します。これにより振動の減衰やエネルギー損失が生じます。
その他の分野でもヒステリシスは観察されます。例としては：
- 電子回路：シュミットトリガのように入力電圧の閾値が異なることでノイズに対する安定化を行う
- 制御システム：サーモスタットのオン/オフヒステリシス（チラツキ防止）（サーモスタット等）
- 地球科学や気候学：土壌水分や氷の融解・凍結過程での履歴依存性
- 生物学・生理学：神経や酵素反応などで見られる履歴依存応答
モデリングと測定
ヒステリシスのモデル化には経験的モデルと物理に基づくモデルがあります。代表的なものに以下があります。
- Preisachモデル：多くの二値素子の集合としてヒステリシスを再現する統計的モデル。磁性や強誘電体の解析で広く用いられる。
- Jiles-Athertonモデル：磁化の物理過程（ドメイン移動やピン止り）を取り入れた連続モデル。
測定では、磁性材料ならばB-Hループを測定器（磁気ヒステリシスループトレーサ）で取得し、残留磁化や保磁力、損失を評価します。機械的ヒステリシスは応力-ひずみループからエネルギー散逸を算出します。
応用と設計上の考慮点
ヒステリシスは望ましい場合と望ましくない場合の両方があります。制御回路やセンサでは意図的にヒステリシスを入れて安定性やノイズ耐性を高めますが、電気機器や材料ではヒステリシス損失を減らすことが性能向上につながります。設計時には以下を考慮します：
- 目的に応じてレート依存性の有無を確認する
- 材料選定で保磁力や残留分極、損失を最適化する
- モデル化と実測により動作範囲でのヒステリシス挙動を評価する
まとめ
ヒステリシスは「履歴を持つ応答」という直感的な概念であり、磁性・強誘電性・機械的弾性など多くの物理現象に現れます。解析や設計では、ヒステリシスループの形状や面積、残留値・閾値などの特徴量を把握することが重要で、適切なモデルと測定により性能改善や新しい応用が可能になります。
質問と回答
Q: ヒステリシスとは何ですか?
A: ヒステリシスとは、物理科学における概念で、システムの出力がその入力だけでなく、過去の入力の履歴にも依存するというものです。
Q: ヒステリシスにおいて、なぜ過去の入力の履歴がシステムの出力に影響するのでしょうか?
A: 履歴は、システムの出力に影響を与える内部状態の値に影響を与えます。
Q: ヒステリシスのあるシステムの将来の出力を予測するために必要なことは何ですか?
A: ヒステリシスのあるシステムの将来の出力を予測するためには、その内部状態と履歴のいずれかがわかっている必要があります。
Q: ヒステリシスの効果とは何ですか?
A: ヒステリシスでは、入力と出力の間に遅れが生じ、システムの出力に影響を与えます。
Q: ヒステリシスの効果は、入力の変化が緩やかになると消失するのでしょうか?
A: はい、ヒステリシスの効果は、入力がよりゆっくりと変化するにつれて消失します。
Q:速度依存性ヒステリシスとは何ですか?
A:速度依存ヒステリシスとは、ヒステリシスの一種で、入力と出力の間にラグがあり、入力の変化が緩やかになるにつれて消失するものです。
Q:ヒステリシスはどのような材料で発生するのですか?
A:強磁性体や強誘電体、また輪ゴムや形状記憶合金などの変形にヒステリシスが生じます。
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