히스테리시스(hysteresis) 현상이란?
히스테리시스(hysteresis)는 이력현상(履歷現象)이라고도 하며, 물질이 거쳐 온 과거가 현재 상태에 영향을 주는 현상을 말합니다. 어떤 물리량이 그 때의 물리조건만으로 결정되지 않고 이전에 그 물질이 경과해 온 과정에 의존하는 특성을 말합니다.
히스테리시스를 쉽게 설명하면, 어떤 값이 주기적 또는 어떤 범위를 갖고 움직였을 때, 출발지로 돌아오지 못하고 다른 값으로 떨어지는 현상을 말합니다.
물질이 특정 외부 자극에 대해 반응할 때, 외부 자극의 크기에 의존할 뿐 아니라 물질의 현재 상태나 과거의 외부 자극 이력에 의해서도 영향을 받는 현상을 말합니다.
예를 들어, 자력의 세기를 0에서 10만큼 증가시킬 때 자력 10의 힘을 내기 위해 전달한 힘의 크기와 자력의 세기를 20에서 10만큼 감소시킬 때 전달하는 힘의 크기가 다름으로써 나타나는 현상을 히스테리시스라고 합니다.
히스테리시스 현상의 종류
변형률 연화
변형률 연화(Strain Softening)는 하중이 작용된 반대방향의 항복응력이 저하되는 현상을 말합니다. 암석과 같은 지반재료를 전달할 때 응력-변형률관계에서 변형률 연화현상이 관찰됩니다. 암석의 경우 압축 조건하의 변형률은 일정 하중에 도달하면 외력이 없는 상태에서도 변형이 발생하는 변형-연화가 발생하게 됩니다. 이는 크립 거동과 개념적으로 매우 유사합니다.
변형률 연화현상은 지반공학문제에서 논하고 있는 파괴거동현상과 밀접한 관계가 있습니다. 따라서 그 거동을 묘사할 수 있는 수치해석방법의 확립이 중요합니다.
가공 연화
가공 연화(Work Softening)는 금속 재료가 가공 전의 상태보다 낮은 변동응력을 나타내는 현상을 말합니다. 하중이 작용하는 반대방향의 항복응력이 낮아지기 때문에 이 현상을 변형 연화 또는 가공 연화라고 합니다.
가공 연화는 하중경로가 반대일 경우, 즉 압축한 후 인장하는 경우에도 나타납니다. 이 현상은 비틂의 경우에도 관찰됩니다.
가공 경화도가 커진 강을 절삭가공을 하거나 더 많은 냉간가공을 하기 위해서는 강을 일단 연화시킬 필요가 있습니다. 이를 위해서는 적당한 온도로 가열하여 가공조직을 완전히 회복시키거나 재결정 및 결정립 성장을 시켜야 합니다.
바우싱거 효과
바우싱거 효과(Bauschinger effect)는 금속재료에 균일한 인장하중을 가한 후 다시 이와 반대 방향으로 압축하중을 가했을 때 처음보다 작은 응력에서 항복이 생기는 현상을 말합니다.
즉, 가공을 먼저 받은 것과 반대 방향의 변형에 대하여 재료의 탄성 한계 및 항복점이 현저히 낮아지는 현상입니다.
바우싱거 효과는 재료의 미세한 응력 분포의 결과로 재료의 응력/변형 특성이 변경되는 재료의 특성을 나타냅니다. 예를 들어, 인장 항복 강도의 증가는 압축 항복 강도를 희생하여 발생합니다.
바우싱거 효과를 통해 반대 방향으로의 하중을 통해 더 낮은 하중에서도 영구적인 변형이 발생할뿐더러 쉽게 파괴를 일으킬 수 있습니다.
금속의 히스테리시스 현상 응용
금속 히스테리시스 현상은 금속-절연체 전이의 대표적인 특징으로, 온도 스위치 등의 응용 분야에서 연구가 진행되고 있습니다. 예를 들어, 화재 경보기는 특정한 온도가 되면 경보 신호를 울려야 하는데, 이런 곳에 금속 히스테리시스 현상이 응용될 수 있습니다.
금속 히스테리시스 현상은 시스템의 응답이 현재 입력뿐만 아니라 이전 기록에도 의존하는 현상을 의미합니다. 예를 들어, 금속 와이어가 반복적으로 늘어났다가 풀리면 결정 구조 내에서 전위의 움직임으로 인해 히스테리시스 루프가 나타날 수 있습니다.
히스테리시스는 전자공학에서도 사용되는데, 어떤 값이 올라갈 때랑 내려갈 때랑 다를 때 사용됩니다. 대표적으로 단말기에서 이동 중 전력조절을 하게 될 때, Power amp등에서 low power mode와 high power mode로 모드콘트롤이 필요한 경우가 있습니다.
마무리
오늘은 히스테리시스 현상과 종류 3가지, 응용 분야를 알아보았습니다.
기계적 히스테리시스는 응력-변형률 곡선이 하중을 가하고 제거할 때 다른 궤적을 그리는 성질입니다. 이는 충격흡수재, 방진 고무 등에 응용됩니다.