Магнестрикция: Свойство на магнитните материали
Магнитострикция е дефинирана като свойство на някои магнитни материали, което ги кара да променят формата или размерите си, когато са намагнетени от външно магнитно поле. Промяната в размера или дължината на материал вследствие на магнитострикцията зависи от силата и посоката на приложено магнитно поле, както и от магнитната анизотропия и кристалната структура на материала.
Магнитострикцията може да се използва за преобразуване на електромагнитна енергия в механична, или обратно, и е основа за много приложения, такива като актуатори, сензори, трансдюсери, трансформатори, мотори и генератори.
Какво е магнитострикция?
Магнитострикцията беше открита първоначално от Джеймс Џоул през 1842, когато забеляза, че железен прът се удължава леко, когато е намагнетен по дължината си, и се съкращава леко, когато е намагнетен по ширината си. Това явление е известно като ефект на Џоул и се наблюдава в повечето феромагнитни материали (материали, които могат да бъдат намагнетени от външно поле) и някои феримагнитни материали (материали, които имат два противоположни магнитни подрешетки).
Физическият механизъм зад магнитострикцията е свързан със вътрешната структура на магнитните материали, която се състои от микроскопични области, наречени домени. Всеки домен има равномерна намагнетена посока, която се определя от баланса между магнитната анизотропна енергия (тенденцията на материала да съпостави намагнетяването си с определени кристални посоки) и магнитостатичната енергия (тенденцията на материала да минимизира магнитните му полюси).
Когато външно магнитно поле се прилага към магнитен материал, то оказва момент на домените, причинявайки им да се завъртат и съпоставят с посоката на полето. Този процес включва движение на стените на домените (границите между домени с различни намагнетени посоки) и деформация на кристалната решетка (разположението на атоми в материала). В резултат, материалът променя формата или размерите си според неговата магнитострикциска деформация (частичната промяна в дължина или обем вследствие на магнитострикция).
Магнитострикциската деформация зависи от няколко фактора, такива като:
Магнитудата и посоката на приложено магнитно поле
Наситеното намагнетяване (максималното възможно намагнетяване) на материала
Магнитната анизотропия (предпочитанията за определени намагнетени посоки) на материала
Магнитоеластичната взаимодействие (взаимодействието между намагнетяването и упругата деформация) на материала
Температурата и напрегнатостта на материала
Магнитострикциската деформация може да бъде положителна или отрицателна, в зависимост от това дали материалът се разширява или се свива, когато е намагнетен. Някои материали показват превратност в знака на магнитострикциската деформация, когато са изложени на високи магнитни полета, което е известно като ефект на Вилари.
Магнитострикциската деформация може да бъде измерена с различни методи, такива като оптична интерферометрия, тензометри, пьезоелектрични трансдюсери, или резонансни техники. Най-често използваната параметър за характеристика на магнитострикцията е коефициентът на магнитострикция (също познат като коефициент на Џоул), който се дефинира като:
λ=LΔL
където ΔL е промяната в дължината на материала, когато е намагнетен от нула до наситеност, а L е неговата начална дължина.
Магнитострикциски материали
Има много материали, които проявяват магнитострикция, но някои от тях имат по-високи стойности и по-добро изпълнение от други. Някои примери за магнитострикциски материали са:
Желязо: Желязото е един от най-общи и широко използвани магнитострикциски материали, поради високата му наситена намагнетеност и ниската цена. Въпреки това, желязото има и някои недостатъци, такива като нисък коефициент на магнитострикция (около 20 ppm), високи хистерезисни загуби (енергията, разходвана при всяка циклична намагнетяване), и високи индуктивни токове загуби (енергията, разходвана в резултат на индуцирани токове в проводиви материали в материала). Желязото има и ниска температура на Кюри (температура, над която материала губи своите феромагнитни свойства), което ограничава неговото използване в приложения при високи температури.
Никел: Никелът има по-висок коефициент на магнитострикция от желязото (около 60 ppm), но също и по-високи хистерезисни загуби и индуктивни токови загуби. Никелът има и ниска температура на Кюри (около 360 °C) и е склонен към корозия.
Кобалт: Кобалтът има среден коефициент на магнитострикция (около 30 ppm), но висока наситена намагнетеност и висока температура на Кюри (около 1120 °C). Кобалтът има и ниски хистерезисни и индуктивни токови загуби, което го прави подходящ за приложения при високи честоти.
Желязно-алюминиев сплав (Алфер): Тази сплав има висок коефициент на магнитострикция (около 100 ppm), висока наситена намагнетеност и висока температура на Кюри (около 800 °C). Тя има и ниски хистерезисни и индуктивни токови загуби, и добри механични свойства. Въпреки това, тя е трудна за изработка и изисква специална термична обработка.
Желязно-никелева сплав (Пермалои): Тази сплав има нисък коефициент на магнитострикция (около 1 ppm), но висока наситена намагнетеност и висока проницаемост (способността на материала да поддържа вътрешно магнитно поле). Тя има и ниски хистерезисни и индуктивни токови загуби, което я прави идеална за магнитно защита и приложения за запис.
Кобалт-никелева сплав: Тази сплав има среден коефициент на магнитострикция (около 20 ppm), но висока наситена намагнетеност и висока температура на Кюри (около 950 °C). Тя има и ниски хистерезисни и индуктивни токови загуби, и добра корозийна устойчивост.
Желязно-кобалтова сплав: Тази сплав има среден коефициент на магнитострикция (около 30 ppm), но много висока наситена намагнетеност и висока температура на Кюри (около 980 °C). Тя има и ниски хистерезисни и индуктивни токови загуби, и добри механични свойства.
Кобалт-желязно-ванадиева сплав (Пермендур): Тази сплав има нисък коефициент на магнитострикция (около 5 ppm), но много висока наситена намагнетеност и много висока температура на Кюри (около 1400 °C). Тя има и ниски хистерезисни и индуктивни токови загуби, което я прави подходяща за приложения при висока мощност.
Ферити: Феритите са керамични материали, съставени от железни оксиди и други метални оксиди, такива като кобалтов оксид или никелов оксид. Те имат ниски коефициенти на магнитострикция (под 10 ppm), но също и ниска наситена намагнетеност и ниска проницаемост. Те имат много ниски хистерезис
