Magnetostriction: En Egenskab af Magnetiske Materialer
Magnetostriction er defineret som egenskaben hos nogle magnetiske materialer, der får dem til at ændre deres form eller dimensioner, når de bliver magnetiseret af et eksternt magnetfelt. Ændringen i størrelse eller længde af et materiale på grund af magnetostriction afhænger af styrken og retningen af det anvendte magnetfelt, samt materialets magnetiske anisotropi og krystalstruktur.
Magnetostriction kan bruges til at konvertere elektromagnetisk energi til mekanisk energi, eller omvendt, og er grundlaget for mange applikationer såsom aktuatorer, sensorer, transducere, transformatorer, motorer og generatorer.
Hvad er Magnetostriction?
Magnetostriction blev først opdaget af James Joule i 1842, da han observerede, at en jernstang blev en smule længere, når den blev magnetiseret langs dens længde, og en smule kortere, når den blev magnetiseret tværs over dens bredde. Dette fænomen kaldes Joules effekt, og det forekommer i de fleste ferromagnetiske materialer (materialer, der kan magnetiseres af et eksternt felt) og nogle ferrimagnetiske materialer (materialer, der har to modsatte magnetiske undernetværk).
Den fysiske mekanisme bag magnetostriction er relateret til den interne struktur af magnetiske materialer, som består af mikroskopiske regioner kaldet domæner. Hvert domæne har en uniform magnetiseringretning, som er bestemt af balancen mellem magnetisk anisotropienergi (den tendens, hvormed materialet prøver at justere sin magnetisering langs visse kristalretninger) og magnetostatisk energi (den tendens, hvormed materialet prøver at minimere sine magnetiske poler).
Når et eksternt magnetfelt anvendes på et magnetisk materiale, udfører det en drejningsmoment på domænerne, hvilket får dem til at rotere og justere sig med feltets retning. Denne proces involverer bevægelsen af domænevægge (grænserne mellem domæner med forskellige magnetiseringretninger) og deformationen af kristallatticen (arrangementet af atomer i materialet). Som resultat ændrer materialet sin form eller dimensioner i overensstemmelse med dets magnetostrictive spænding (den fraktionelle ændring i længde eller volumen på grund af magnetostriction).
Den magnetostrictive spænding afhænger af flere faktorer, såsom:
Størrelsen og retningen af det anvendte magnetfelt
Sættelsesmagnetiseringen (den maksimale mulige magnetisering) af materialet
Magnetisk anisotropi (præferencen for visse magnetiseringretninger) af materialet
Magnetoelastisk kobling (interaktionen mellem magnetisering og elastisk spænding) af materialet
Temperaturen og spændingsforholdet for materialet
Den magnetostrictive spænding kan være positiv eller negativ, afhængigt af, om materialet udvides eller kontraheres, når det bliver magnetiseret. Nogle materialer viser en omvendelse i fortegn af deres magnetostrictive spænding, når de udsættes for høje magnetfelter, hvilket kaldes Villari-omvendelse.
Den magnetostrictive spænding kan måles ved forskellige metoder, såsom optisk interferometri, spændingsmåler, piezoelektriske transducere, eller resonante teknikker. Den mest almindelige parameter, der bruges til at karakterisere magnetostriction, er magnetostrictionkoefficienten (også kaldet Joules koefficient), som er defineret som:
λ=LΔL
hvor ΔL er ændringen i længde af materialet, når det magnetiseres fra nul til sættelse, og L er dets initielle længde.
Magnetostrictive Materialer
Der findes mange materialer, der viser magnetostriction, men nogle af dem har højere værdier og bedre ydeevne end andre. Nogle eksempler på magnetostrictive materialer er:
Jern: Jern er et af de mest almindelige og bredt anvendte magnetostrictive materialer, på grund af dets høje sættelsesmagnetisering og lave omkostninger. Dog har jern også nogle ulemper, såsom en lav magnetostrictionkoefficient (omkring 20 ppm), høj hysteresis tab (den energi, der dissiperes under hver cyklus af magnetisering), og høj eddy strøm tab (den energi, der dissiperes på grund af inducerede strømme i ledermaterialer i materialet). Jern har også en lav Curie-temperatur (temperaturen, hvorved et materiale mister sine ferromagnetiske egenskaber), hvilket begrænser dets anvendelse i højtemperaturapplikationer.
Nikkel: Nikkel har en højere magnetostrictionkoefficient end jern (omkring 60 ppm), men også en højere hysteresis tab og eddy strøm tab. Nikkel har også en lav Curie-temperatur (omkring 360 °C) og er følsom over for korrosion.
Kobolt: Kobolt har en moderat magnetostrictionkoefficient (omkring 30 ppm), men en høj sættelsesmagnetisering og en høj Curie-temperatur (omkring 1120 °C). Kobolt har også en lav hysteresis tab og eddy strøm tab, hvilket gør det passende til højfrekvensapplikationer.
Jern-Aluminium Legetøj (Alfer): Dette legeme har en høj magnetostrictionkoefficient (omkring 100 ppm), en høj sættelsesmagnetisering, og en høj Curie-temperatur (omkring 800 °C). Det har også en lav hysteresis tab og eddy strøm tab, og gode mekaniske egenskaber. Dog er det vanskeligt at fremstille, og det kræver speciel varmbehandling.
Jern-Nikkel Legetøj (Permalloy): Dette legeme har en lav magnetostrictionkoefficient (omkring 1 ppm), men en høj sættelsesmagnetisering og en høj permeabilitet (materialets evne til at understøtte et intern magnetfelt). Det har også en lav hysteresis tab og eddy strøm tab, hvilket gør det ideelt til magnetisk skjerming og optagelsesapplikationer.
Kobolt-Nikkel Legetøj: Dette legeme har en moderat magnetostrictionkoefficient (omkring 20 ppm), men en høj sættelsesmagnetisering og en høj Curie-temperatur (omkring 950 °C). Det har også en lav hysteresis tab og eddy strøm tab, og god korrosions modstand.
Jern-Kobolt Legetøj: Dette legeme har en moderat magnetostrictionkoefficient (omkring 30 ppm), men en meget høj sættelsesmagnetisering og en høj Curie-temperatur (omkring 980 °C). Det har også en lav hysteresis tab og eddy strøm tab, og gode mekaniske egenskaber.
Kobolt-Jern-Vanadium Legetøj (Permendur): Dette legeme har en lav magnetostrictionkoefficient (omkring 5 ppm), men en meget høj sættelsesmagnetisering og en meget høj Curie-temperatur (omkring 1400 °C). Det har også en lav hysteresis tab og eddy strøm tab, hvilket gør det passende til højkraftapplikationer.
Ferriter: Ferriter er keramiske materialer sammensat af jernoxider og andre metaloksid, såsom koboltoksid eller nikkeloksid. De har lave magnetostrictionkoefficienter (under 10 ppm), men også lav sættelsesmagnetisering og lav permeabilitet. De har meget lave hysteresis tab og eddy strøm tab, hvilket gør dem ideelle til højfrekvensapplikationer. De har også høje Curie-temperaturer (over 400 °C) og god korrosions modstand.
Rarmetaller: Rarmetaller er elementer med atomnummer fra 57 til 71, såsom lanthan, cerium, neodymium, samarium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium eller lutetium. De har meget høje magnetostrictionkoefficienter (op til 1000 ppm), men også meget høje hysteresis tab og eddy strøm tab. De har moderate sættelsesmagnetisering og permeabilitet, men lave Curie-temperaturer (under 300 °C). De anvendes ofte i kombination med andre metaller eller forbindelser for at danne legemer eller intermetaller med forbedrede egenskaber.
