Magnetostrik: 'n Eienskap van Magneetmateriaal

Magnetostriction wordt gedefinieer as die eienskap van sommige magneetlike materiale wat dit laat verander in hul vorm of afmetings wanneer hulle gemagnetiseer word deur 'n eksterne magneetveld. Die verandering in grootte of lengte van 'n materiaal as gevolg van magnetostriction hang af van die sterkte en rigting van die toegepaste magneetveld, sowel as die magneetanisotropie en krisalstruktuur van die materiaal.

Magnetostriction kan gebruik word om elektromagnetiese energie om te skakel na meganiese energie, of omgekeerd, en is die basis vir baie toepassings soos aktuatiewe, sensore, transduser, transformers, motors, en generators.

Wat is Magnetostriction?

Magnetostriction is eers ontdek deur James Joule in 1842 toe hy waargeneem het dat 'n yster staaf lig verleng het wanneer dit langs sy lengte gemagnetiseer is, en liggies gekontrakteer het wanneer dit oor sy breedte gemagnetiseer is. Hierdie verskynsel staan bekend as Joule se effek, en dit kom voor in die meeste ferromagnetiese materiale (materiale wat deur 'n eksterne veld gemagnetiseer kan word) en sommige ferrimagnetiese materiale (materiale wat twee teenoorgestelde magnetiese subroosters het).

Die fisiese meganisme agter magnetostriction is verwant aan die interne struktuur van magneetlike materiale, wat bestaan uit mikroskopiese gebiede genaamd domeine. Elke domein het 'n uniforme magnetiseringrigting, wat bepaal word deur die balans tussen die magneetanisotropie-energie (die neiging van die materiaal om sy magnetisering langs sekere krisalrigtings te lys) en die magnetostatiese energie (die neiging van die materiaal om sy magnetiese polus te minimeer).

Wanneer 'n eksterne magneetveld op 'n magneetlike materiaal aangebring word, oefen dit 'n draaimoment uit op die domeine, wat dit laat roteer en lyn met die veldrigting. Hierdie proses behels die beweging van domeinwande (die grense tussen domeine met verskillende magnetiseringrigtings) en die vervorming van die kristalrooster (die rangskikking van atome in die materiaal). As gevolg daarvan verander die materiaal sy vorm of afmetings volgens sy magnetostrictiewe spanning (die fraksionele verandering in lengte of volume as gevolg van magnetostriction).

Die magnetostrictiewe spanning hang af van verskeie faktore, soos:

• Die grootte en rigting van die toegepaste magneetveld

• Die verzadigingsmagnetisering (die maksimum moontlike magnetisering) van die materiaal

• Die magneetanisotropie (die voorkeur vir sekere magnetiseringrigtings) van die materiaal

• Die magnetoelastiese koppeling (die interaksie tussen magnetisering en elastiese spanning) van die materiaal

• Die temperatuur en spanningsstaat van die materiaal

Die magnetostrictiewe spanning kan positief of negatief wees, afhangende van of die materiaal uitspan of samentrek wanneer dit gemagnetiseer word. Sommige materiale vertoon 'n omkeer in die teken van hul magnetostrictiewe spanning wanneer hulle blootgestel word aan hoë magneetvelde, wat bekend staan as Villari-omkeer.

Die magnetostrictiewe spanning kan gemeet word deur verskeie metodes, soos optiese interferometrie, spanningsgauges, piezoelektriese transducers, of resonante tegnieke. Die mees algemene parameter wat gebruik word om magnetostriction te karakteriseer, is die magnetostrictiewe koëffisiënt (ook genoem Joule se koëffisiënt), wat gedefinieer word as:

λ=LΔL

waar ΔL die verandering in lengte van die materiaal is wanneer dit van nul tot verzadiging gemagnetiseer word, en L is sy aanvanklike lengte.

Magnetostrictiewe Materiale

Daar is baie materiale wat magnetostriction vertoon, maar sommige van hulle het hoër waardes en beter prestasie as ander. Sommige voorbeelde van magnetostrictiewe materiale is:

• Yster: Yster is een van die mees algemene en wyd gebruikte magnetostrictiewe materiale, as gevolg van sy hoë verzadigingsmagnetisering en lae koste. Echter, yster het ook sommige nadele, soos 'n lae magnetostrictiewe koëffisiënt (ongeveer 20 ppm), hoë hysterese-verlies (die energie wat tydens elke siklus van magnetisering verbruik word), en hoë eddy stroom verlies (die energie wat verbruik word as gevolg van geïnduseerde strome in geleidende materiale in die materiaal). Yster het ook 'n lae Curie-temperatuur (die temperatuur bo waarop 'n materiaal sy ferromagnetiese eienskappe verloor), wat sy gebruik in hoë-temperatuur-toepassings beperk.

• Nikkel: Nikkel het 'n hoër magnetostrictiewe koëffisiënt as yster (ongeveer 60 ppm), maar ook 'n hoër hysterese-verlies en eddy-stroom-verlies. Nikkel het ook 'n lae Curie-temperatuur (ongeveer 360 °C) en is vatbaar vir korrusie.

• Kobalt: Kobalt het 'n matige magnetostrictiewe koëffisiënt (ongeveer 30 ppm), maar 'n hoë verzadigingsmagnetisering en 'n hoë Curie-temperatuur (ongeveer 1120 °C). Kobalt het ook 'n lae hysterese-verlies en eddy-stroom-verlies, wat dit geskik maak vir hoë-frekwensietoepassings.

• Yster-Aluminium Leigoed (Alfer): Hierdie leigoed het 'n hoë magnetostrictiewe koëffisiënt (ongeveer 100 ppm), 'n hoë verzadigingsmagnetisering, en 'n hoë Curie-temperatuur (ongeveer 800 °C). Dit het ook 'n lae hysterese-verlies en eddy-stroom-verlies, en goeie meganiese eienskappe. Echter, dit is moeilik om te vervaardig en vereis spesiale hittebehandeling.

• Yster-Nikkel Leigoed (Permalloy): Hierdie leigoed het 'n lae magnetostrictiewe koëffisiënt (ongeveer 1 ppm), maar 'n hoë verzadigingsmagnetisering en 'n hoë permeabiliteit (die vermoë van 'n materiaal om 'n interne magneetveld te ondersteun). Dit het ook 'n lae hysterese-verlies en eddy-stroom-verlies, wat dit ideaal maak vir magneet-skilding en opname-toepassings.

• Kobalt-Nikkel Leigoed: Hierdie leigoed het 'n matige magnetostrictiewe koëffisiënt (ongeveer 20 ppm), maar 'n hoë verzadigingsmagnetisering en 'n hoë Curie-temperatuur (ongeveer 950 °C). Dit het ook 'n lae hysterese-verlies en eddy-stroom-verlies, en goeie korrusie weerstand.

• Yster-Kobalt Leigoed: Hierdie leigoed het 'n matige magnetostrictiewe koëffisiënt (ongeveer 30 ppm), maar 'n baie hoë verzadigingsmagnetisering en 'n hoë Curie-temperatuur (ongeveer 980 °C). Dit het ook 'n lae hysterese-verlies en eddy-stroom-verlies, en goeie meganiese eienskappe.

• Kobalt-Yster-Vanaadium Leigoed (Permendur): Hierdie leigoed het 'n lae magnetostrictiewe koëffisiënt (ongeveer 5 ppm), maar 'n baie hoë verzadigingsmagnetisering en 'n baie hoë Curie-temperatuur (ongeveer 1400 °C). Dit het ook 'n lae hysterese-verlies en eddy-stroom-verlies, wat dit geskik maak vir hoë-kragtoepassings.

• Ferriete: Ferriete is keramiese materiale saamgestel uit ysterokside en ander metaalokside, soos kobaltoxide of nikkeloxide. Hulle het lae magnetostrictiewe koëffisiënte (minder as 10 ppm), maar ook lae verzadigingsmagnetisering en lae permeabiliteit. Hulle het baie lae hysterese-verlies en eddy-stroom-verlies, wat hulle ideaal maak vir hoë-frekwensietoepassings. Hulle het ook hoë Curie-temperature (bo 400 °C) en goeie korrusie weerstand.

• Skaars Metale: Skaars metale is elemente met atoomgetalle van 57 tot 71, soos lantha