Magnetostriction: Vlastnost magnetických materiálů
Magnetostriction je vlastnost některých magnetických materiálů, která způsobuje změnu jejich tvaru nebo rozměrů, když jsou magnetizovány vnějším magnetickým polem. Změna velikosti nebo délky materiálu způsobená magnetostriction závisí na síle a směru použitého magnetického pole, stejně jako na magnetické anizotropii a krystalové struktuře materiálu.
Magnetostriction lze použít k převodu elektromagnetické energie na mechanickou energii a naopak a je základem pro mnoho aplikací, jako jsou čidlo, senzory, transducery, transformátory, motory a generátory.
Co je magnetostriction?
Magnetostriction byl poprvé objeven Jamesem Joulem v roce 1842, kdy pozoroval, že železný tyč se mírně prodloužil, když byl magnetizován podél své délky, a mírně se zmenšil, když byl magnetizován přes svou šířku. Tento jev je známý jako Jouleův efekt a vyskytuje se u většiny feromagnetických materiálů (materiálů, které lze magnetizovat vnějším polem) a některých ferrimagnetických materiálů (materiálů, které mají dvě opačně orientované magnetické podsítě).
Fyzikální mechanismus za magnetostriction je spojen s vnitřní strukturou magnetických materiálů, která se skládá z mikroskopických oblastí nazývaných domény. Každá doména má jednotný směr magnetizace, který je určen bilancí mezi magnetickou anizotropií (tendencí materiálu uspořádat svou magnetizaci podél určitých krystalových směrů) a magnetostatickou energií (tendencí materiálu minimalizovat své magnetické póly).
Když se na magnetický materiál aplikuje vnější magnetické pole, vyvíjí toto pole moment síly na domény, což vedne k jejich otáčení a zarovnání se s polem. Tento proces zahrnuje pohyb hranic domén (hranic mezi doménami s různými směry magnetizace) a deformaci krystalové mřížky (uspořádání atomů v materiálu). V důsledku toho se materiál mění ve svém tvaru nebo rozměrech podle své magnetostrictivní deformační (frakční změny délky nebo objemu způsobené magnetostriction).
Magnetostrictivní deformační závisí na několika faktorech, jako jsou:
Velikost a směr aplikovaného magnetického pole
Saturace magnetizace (maximální možná magnetizace) materiálu
Magnetická anizotropie (preferenci pro určité směry magnetizace) materiálu
Magnetoelastická vazba (interakce mezi magnetizací a elastickou deformační) materiálu
Teplota a stresový stav materiálu
Magnetostrictivní deformační může být kladná nebo záporná, v závislosti na tom, zda se materiál rozšiřuje nebo zmenšuje při magnetizaci. Některé materiály ukazují změnu znaménka své magnetostrictivní deformační při vystavení silným magnetickým polím, což se nazývá Villariho reverze.
Magnetostrictivní deformační lze měřit různými metodami, jako jsou optická interferometrie, deformační čidlo, piezoelektrické transducery, nebo rezonanční techniky. Nejčastěji používaný parametr pro charakterizaci magnetostriction je magnetostrictivní koeficient (také nazývaný Jouleův koeficient), který je definován jako:
λ=LΔL
kde ΔL je změna délky materiálu při magnetizaci od nuly do saturace, a L je jeho počáteční délka.
Magnetostrictivní materiály
Existuje mnoho materiálů, které projevují magnetostriction, ale některé z nich mají vyšší hodnoty a lepší výkon než jiné. Některé příklady magnetostrictivních materiálů jsou:
Železo: Železo je jedním z nejčastějších a nejrozšířenějších magnetostrictivních materiálů, díky své vysoké saturaci magnetizace a nízké ceně. Nicméně, železo má také některé nevýhody, jako je nízký magnetostrictivní koeficient (asi 20 ppm), vysoké hystrézní ztráty (energie spotřebovaná během každého cyklu magnetizace) a vysoké eddy proudu ztráty (energie spotřebovaná kvůli indukovaným proudům v vodivých materiálech v materiálu). Železo má také nízkou Curieovu teplotu (teplotu, nad kterou materiál ztrácí své feromagnetické vlastnosti), což omezuje jeho použití v aplikacích s vysokou teplotou.
Nikel: Nikl má vyšší magnetostrictivní koeficient než železo (asi 60 ppm), ale také vyšší hystrézní ztráty a eddy proudu. Nikl má také nízkou Curieovu teplotu (asi 360 °C) a je náchylný k korozí.
Kobalt: Kobalt má střední magnetostrictivní koeficient (asi 30 ppm), ale vysokou saturaci magnetizace a vysokou Curieovu teplotu (asi 1120 °C). Kobalt má také nízké hystrézní ztráty a eddy proudu, což ho činí vhodným pro vysokofrekvenční aplikace.
Železo-hliníkový slitina (Alfer): Tato slitina má vysoký magnetostrictivní koeficient (asi 100 ppm), vysokou saturaci magnetizace a vysokou Curieovu teplotu (asi 800 °C). Má také nízké hystrézní ztráty a eddy proudu a dobré mechanické vlastnosti. Nicméně, je obtížné ji vyrábět a vyžaduje speciální tepelnou úpravu.
Železo-niklová slitina (Permalloy): Tato slitina má nízký magnetostrictivní koeficient (asi 1 ppm), ale vysokou saturaci magnetizace a vysokou permeabilitu (schopnost materiálu podporovat vnitřní magnetické pole). Má také nízké hystrézní ztráty a eddy proudu, což ji činí ideální pro magnetické štítování a záznamové aplikace.
Kobalt-niklová slitina: Tato slitina má střední magnetostrictivní koeficient (asi 20 ppm), ale vysokou saturaci magnetizace a vysokou Curieovu teplotu (asi 950 °C). Má také nízké hystrézní ztráty a eddy proudu a dobré odpornost na korozí.
Železo-kobaltová slitina: Tato slitina má střední magnetostrictivní koeficient (asi 30 ppm), ale velmi vysokou saturaci magnetizace a vysokou Curieovu teplotu (asi 980 °C). Má také nízké hystrézní ztráty a eddy proudu a dobré mechanické vlastnosti.
Kobalt-železo-vanádová slitina (Permendur): Tato slitina má nízký magnetostrictivní koeficient (asi 5 ppm), ale velmi vysokou saturaci magnetizace a velmi vysokou Curieovu teplotu (asi 1400 °C). Má také nízké hystrézní ztráty a eddy proudu, což ji činí vhodnou pro vysokovýkonové aplikace.
Ferrity: Ferrity jsou keramické materiály složené z oxidů železa a dalších kovových oxidů, jako je oxid kobaltu nebo oxid niklu. Mají nízké magnetostrictivní koeficienty (méně než 10 ppm), ale také nízkou saturaci magnetizace a nízkou permeabilitu. Mají velmi nízké hystrézní ztráty a eddy proudu, což je činí ideálními pro vysokofrekvenční aplikace. Mají také vysoké Curieovy teploty (nad 400 °C) a dobré odpornost na korozí.
Rářata: Rářata jsou prvky s atomovými čísly od 57 do 71, jako lanthan, cer, neodym, samarium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium nebo lutecium. Mají velmi vysoké magnetostrictivní koeficienty (až 1000 ppm), ale také velmi vysoké hystrézní ztráty a eddy proudu. Mají střední saturaci magnetizace a permeabilitu, ale nízké Curieovy teploty (pod 300
