Magnetostricció: Una Propietat dels Materials Magnètics

La magnetostricció es defineix com la propietat de alguns materials magnètics que els fa canviar la seva forma o dimensions quan són magnetitzats per un camp magnètic extern. El canvi en la mida o longitud d'un material degut a la magnetostricció depèn de la força i direcció del camp magnètic aplicat, així com de l'anisotropia magnètica i la estructura cristal·lina del material.

La magnetostricció es pot utilitzar per convertir energia electromagnètica en energia mecànica, o viceversa, i és la base de moltes aplicacions com actuadors, sensors, transductors, transformadors, motors i generadors.

Què és la magnetostricció?

La magnetostricció va ser descoberta per James Joule el 1842, quan va observar que una barra de ferro s'allargava lleugerament quan era magnetitzada al llarg de la seva longitud, i es contractava lleugerament quan era magnetitzada a través de la seva amplada. Aquest fenomen és conegut com l'efecte de Joule, i ocorre en la majoria dels materials ferromagnètics (materials que poden ser magnetitzats per un camp extern) i alguns materials ferrimagnètics (materials que tenen dues subreticles magnètiques oposades).

El mecanisme físic darrere la magnetostricció està relacionat amb l'estructura interna dels materials magnètics, que consta de regions microscòpiques anomenades dominis. Cada domini té una direcció uniforme de magnetització, que es determina pel balanç entre l'energia d'anisotropia magnètica (la tendència del material a alinejar la seva magnetització segons certes direccions cristallines) i l'energia magnetostàtica (la tendència del material a minimitzar els seus pols magnètics).

Quan s'aplica un camp magnètic extern a un material magnètic, exerceix un moment sobre els dominis, fent-los girar i alinear-se amb la direcció del camp. Aquest procés implica el moviment de les parets de domini (les fronteres entre dominis amb diferents direccions de magnetització) i la deformació de la retícula cristal·lina (l'ordenació dels àtoms en el material). Com a resultat, el material canvia la seva forma o dimensions segons la seva estrès magnetostrictiu (el canvi fraccional en longitud o volum degut a la magnetostricció).

L'estrès magnetostrictiu depèn de diversos factors, com:

• La magnitud i direcció del camp magnètic aplicat

• La magnetització de saturació (la màxima magnetització possible) del material

• L'anisotropia magnètica (la preferència per certes direccions de magnetització) del material

• El couplig magnetoelàstic (la interacció entre la magnetització i l'estrès elàstic) del material

• La temperatura i l'estat de tensió del material

L'estrès magnetostrictiu pot ser positiu o negatiu, depenent de si el material s'expandeix o es contrau quan es magnetitza. Alguns materials mostren una inversió en el signe del seu estrès magnetostrictiu quan estan exposats a camps magnètics alts, conegut com a reversió de Villari.

L'estrès magnetostrictiu es pot mesurar mitjançant diversos mètodes, com l'interferometria òptica, gauges de deformació, transductors piezoelèctrics, o tècniques resonants. El paràmetre més comú utilitzat per caracteritzar la magnetostricció és el coeficient de magnetostricció (també conegut com a coeficient de Joule), que es defineix com:

λ=LΔL

on ΔL és el canvi en longitud del material quan es magnetitza des de zero fins a la saturació, i L és la seva longitud inicial.

Materials magnetostrictius

Hi ha molts materials que exhibeixen magnetostricció, però alguns d'ells tenen valors més alts i millor rendiment que altres. Algunes exemples de materials magnetostrictius són:

• Ferro: El ferro és un dels materials magnetostrictius més comuns i ampliament utilitzats, gràcies a la seva alta magnetització de saturació i baix cost. No obstant això, el ferro també té alguns inconvenients, com un baix coeficient de magnetostricció (aproximadament 20 ppm), un alt perdida per histeresis (l'energia dissipada durant cada cicle de magnetització) i una alta perdida per corrents de Foucault (l'energia dissipada deguda als corrents induïts en materials conductors en el material). El ferro també té una baixa temperatura de Curie (la temperatura per sobre de la qual un material perd les seves propietats ferromagnètiques), que limita el seu ús en aplicacions d'alta temperatura.

• Níquel: El níquel té un coeficient de magnetostricció més alt que el ferro (aproximadament 60 ppm), però també una major perdida per histeresis i per corrents de Foucault. El níquel també té una baixa temperatura de Curie (aproximadament 360 °C) i és propens a la corrosió.

• Cobalt: El cobalt té un coeficient de magnetostricció moderat (aproximadament 30 ppm), però una alta magnetització de saturació i una alta temperatura de Curie (aproximadament 1120 °C). El cobalt també té una baixa perdida per histeresis i per corrents de Foucault, fent-lo adequat per a aplicacions d'alta freqüència.

• Allotge Ferro-Alumini (Alfer): Aquest allotge té un alt coeficient de magnetostricció (aproximadament 100 ppm), una alta magnetització de saturació i una alta temperatura de Curie (aproximadament 800 °C). També té una baixa perdida per histeresis i per corrents de Foucault, i bones propietats mecàniques. No obstant això, és difícil de fabricar i requereix un tractament tèrmic especial.

• Allotge Ferro-Níquel (Permalloy): Aquest allotge té un baix coeficient de magnetostricció (aproximadament 1 ppm), però una alta magnetització de saturació i una alta permeabilitat (la capacitat d'un material per suportar un camp magnètic intern). També té una baixa perdida per histeresis i per corrents de Foucault, fent-lo ideal per a escudatges magnètics i aplicacions d'enregistrament.

• Allotge Cobalt-Níquel: Aquest allotge té un coeficient de magnetostricció moderat (aproximadament 20 ppm), però una alta magnetització de saturació i una alta temperatura de Curie (aproximadament 950 °C). També té una baixa perdida per histeresis i per corrents de Foucault, i bona resistència a la corrosió.

• Allotge Ferro-Cobalt: Aquest allotge té un coeficient de magnetostricció moderat (aproximadament 30 ppm), però una molt alta magnetització de saturació i una alta temperatura de Curie (aproximadament 980 °C). També té una baixa perdida per histeresis i per corrents de Foucault, i bones propietats mecàniques.

• Allotge Cobalt-Ferro-Vanadi (Permendur): Aquest allotge té un baix coeficient de magnetostricció (aproximadament 5 ppm), però una molt alta magnetització de saturació i una molt alta temperatura de Curie (aproximadament 1400 °C). També té una baixa perdida per histeresis i per corrents de Foucault, fent-lo adequat per a aplicacions d'alta potència.

• Ferrites: Les ferrites són materials ceràmics compostos per òxids de ferro i altres òxids metàl·lics, com l'òxid de cobalt o l'òxid de níquel. Té coeficients de magnetostricció baixos (menys de 10 ppm), però també una baixa magnetització de saturació i baixa permeabilitat. Té una baixa perdida per histeresis i per corrents de Foucault, fent-los ideals per a aplicacions d'alta freqüència. També tenen temperatures de Curie altes (superiors a 400 °C) i bona resistència a la corrosió.

• Terres rares: Les terres rares són elements amb números atòmics des de 57 a 71, com el lantani, ceri, neodimi, samari, gadolini, terbi, disprosi, holmi, erbi, tulium, itterbi o luteci. Té coeficients de magnetostricció molt alts (fins a 1000 ppm), però també una molt alta perdida per histeresis i per corrents de Foucault. Té una moderada magnetització de saturació i permeabilitat, però baixes temperatures de Curie (inferiors a 300 °C). Sovint es fan servir en combinació amb altres metalls o compostos per formar allotges o intermetàl·lics amb millors propietats.

• Terfenol-D: El Terfenol-D és un compost intermetàl·lic compost de terbi, ferro i disprosi. Té el coeficient de magnetostricció més alt mai registrat (aproximadament 2000 ppm), el que significa que pot produir strains molt grans quan es magnetitza. També té una alta magnetització de saturació i una alta temperatura de Curie (aproximadament 380 °C). No obstant això, també té una molt alta perdida per histeresis i per corrents de Foucault, el que limita la seva eficiència i rang de freqüència. També requereix un camp magnètic alt (aproximadament 800 kA/m) per arribar al seu estrès màxim, augmentant el consum d'energia i el cost.

• Galfenol: El Galfenol és un allotge de ferro i gaŀli, amb una composició d'aproximadament Fe81Ga19. Té un coeficient de magnetostricció moderat (aproximadament 250 ppm), però una baixa perdida per histeresis i per corrents de Foucault, el que el fa més eficient i durador que el Terfenol-D. També té una alta magnetització de saturació i una alta temperatura de Curie (aproximadament 700 °C). Pot funcionar amb camps magnètics baixos (aproximadament 100 kA/m) i freqüències altes (fins a 10 kHz).

• Metglas: El Metglas és un vidre metàl·lic compost de ferro, bori, silici i altres elements. Té un baix coeficient de magnetostricció (aproximadament 20 ppm), però una molt alta magnetització de saturació i una molt alta permeabilitat. També té una baixa perdida per histeresis i per corrents de Foucault, fent-lo ideal per a escudatges magnètics i aplicacions de conversió d'energia.