Magnetostriction: Eine Eigenschaft magnetischer Materialien
Magnetostriction ist die Eigenschaft einiger magnetischer Materialien, die ihre Form oder Dimensionen ändern, wenn sie durch ein externes magnetisches Feld magnetisiert werden. Die Änderung der Größe oder Länge eines Materials aufgrund von Magnetostriction hängt von der Stärke und Richtung des angewendeten magnetischen Feldes, sowie von der magnetischen Anisotropie und Kristallstruktur des Materials ab.
Magnetostriction kann dazu verwendet werden, elektromagnetische Energie in mechanische Energie umzuwandeln und umgekehrt. Es bildet die Grundlage für viele Anwendungen wie Aktoren, Sensoren, Wandler, Transformator, Motoren und Generatoren.
Was ist Magnetostriction?
Magnetostriction wurde 1842 erstmals von James Joule entdeckt, als er beobachtete, dass ein Eisenstab leicht verlängert wurde, wenn er längs seiner Länge magnetisiert wurde, und sich leicht zusammenzog, wenn er quer zu seiner Breite magnetisiert wurde. Dieses Phänomen wird als Joulesche Wirkung bezeichnet und tritt in den meisten ferromagnetischen Materialien (Materialien, die durch ein externes Feld magnetisiert werden können) und in einigen ferrimagnetischen Materialien (Materialien, die zwei entgegengesetzte magnetische Subgitter haben) auf.
Der physikalische Mechanismus hinter Magnetostriction ist mit der internen Struktur magnetischer Materialien verbunden, die aus mikroskopischen Bereichen, sogenannten Domänen, besteht. Jede Domäne hat eine gleichförmige Magnetisierungsrichtung, die durch das Gleichgewicht zwischen der magnetischen Anisotropieenergie (die Tendenz des Materials, seine Magnetisierung entlang bestimmter Kristallrichtungen auszurichten) und der Magnetostatikenergie (die Tendenz des Materials, seine magnetischen Pole zu minimieren) bestimmt wird.
Wenn ein externes magnetisches Feld auf ein magnetisches Material wirkt, übt es einen Drehmoment auf die Domänen aus, wodurch diese rotieren und sich in die Feldrichtung ausrichten. Dieser Prozess beinhaltet die Bewegung von Domänenwänden (die Grenzen zwischen Domänen mit unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen) und die Verformung des Kristallgitters (die Anordnung von Atomen im Material). Als Ergebnis ändert das Material seine Form oder Dimensionen gemäß seinem magnetostrictiven Dehnung (der Bruchteil der Längen- oder Volumenänderung aufgrund von Magnetostriction).
Die magnetostrictive Dehnung hängt von mehreren Faktoren ab, wie:
Die Stärke und Richtung des angewendeten magnetischen Feldes
Die Sättigungsmagnetisierung (die maximale mögliche Magnetisierung) des Materials
Die magnetische Anisotropie (die Präferenz für bestimmte Magnetisierungsrichtungen) des Materials
Die magnetoelastische Kopplung (die Wechselwirkung zwischen Magnetisierung und elastischer Dehnung) des Materials
Die Temperatur und Spannungszustände des Materials
Die magnetostrictive Dehnung kann positiv oder negativ sein, abhängig davon, ob das Material bei Magnetisierung expandiert oder sich zusammenzieht. Einige Materialien zeigen eine Umkehr des Vorzeichens ihrer magnetostrictiven Dehnung, wenn sie hochmagnetischen Feldern ausgesetzt sind, was als Villari-Umkehr bekannt ist.
Die magnetostrictive Dehnung kann durch verschiedene Methoden gemessen werden, wie optische Interferometrie, Dehnungsmessstreifen, piezoelektrische Wandler oder Resonanzverfahren. Der häufigste Parameter zur Charakterisierung von Magnetostriction ist der Magnetostriction-Koeffizient (auch Joulescher Koeffizient genannt), der definiert ist als:
λ=LΔL
wobei ΔL die Längenänderung des Materials bei Magnetisierung von Null bis zur Sättigung und L seine anfängliche Länge ist.
Magnetostrictive Materialien
Es gibt viele Materialien, die Magnetostriction aufweisen, aber einige von ihnen haben höhere Werte und bessere Leistungen als andere. Einige Beispiele für magnetostrictive Materialien sind:
Eisen: Eisen ist eines der am häufigsten verwendeten und weit verbreiteten magnetostrictiven Materialien, aufgrund seiner hohen Sättigungsmagnetisierung und geringen Kosten. Allerdings hat Eisen auch einige Nachteile, wie einen niedrigen Magnetostriction-Koeffizienten (ca. 20 ppm), hohe Hystereseverlust (die während jedes Magnetisierungszycles dissipierte Energie) und hohe Wirbelstromverluste (die durch induzierte Strom in leitfähigen Materialien im Material dissipierte Energie). Eisen hat auch eine niedrige Curie-Temperatur (die Temperatur, oberhalb derer ein Material seine ferromagnetischen Eigenschaften verliert), was seine Nutzung in Hochtemperaturanwendungen einschränkt.
Nickel: Nickel hat einen höheren Magnetostriction-Koeffizienten als Eisen (ca. 60 ppm), aber auch einen höheren Hystereseverlust und Wirbelstromverlust. Nickel hat auch eine niedrige Curie-Temperatur (ca. 360 °C) und ist korrosionsanfällig.
Kobalt: Kobalt hat einen moderaten Magnetostriction-Koeffizienten (ca. 30 ppm), aber eine hohe Sättigungsmagnetisierung und eine hohe Curie-Temperatur (ca. 1120 °C). Kobalt hat auch einen geringen Hysterese- und Wirbelstromverlust, was es für Hochfrequenzanwendungen geeignet macht.
Eisen-Aluminium-Legierung (Alfer): Diese Legierung hat einen hohen Magnetostriction-Koeffizienten (ca. 100 ppm), eine hohe Sättigungsmagnetisierung und eine hohe Curie-Temperatur (ca. 800 °C). Sie hat auch einen geringen Hysterese- und Wirbelstromverlust und gute mechanische Eigenschaften. Allerdings ist sie schwierig herzustellen und erfordert eine spezielle Wärmebehandlung.
Eisen-Nickel-Legierung (Permalloy): Diese Legierung hat einen niedrigen Magnetostriction-Koeffizienten (ca. 1 ppm), aber eine hohe Sättigungsmagnetisierung und Permeabilität (die Fähigkeit eines Materials, ein internes magnetisches Feld zu unterstützen). Sie hat auch einen geringen Hysterese- und Wirbelstromverlust, was sie ideal für magnetische Abschirmungen und Aufzeichnungsanwendungen macht.
Kobalt-Nickel-Legierung: Diese Legierung hat einen moderaten Magnetostriction-Koeffizienten (ca. 20 ppm), aber eine hohe Sättigungsmagnetisierung und eine hohe Curie-Temperatur (ca. 950 °C). Sie hat auch einen geringen Hysterese- und Wirbelstromverlust und gute Korrosionsbeständigkeit.
Eisen-Kobalt-Legierung: Diese Legierung hat einen moderaten Magnetostriction-Koeffizienten (ca. 30 ppm), aber eine sehr hohe Sättigungsmagnetisierung und eine hohe Curie-Temperatur (ca. 980 °C). Sie hat auch einen geringen Hysterese- und Wirbelstromverlust und gute mechanische Eigenschaften.
Kobalt-Eisen-Vanadium-Legierung (Permendur): Diese Legierung hat einen niedrigen Magnetostriction-Koeffizienten (ca. 5 ppm), aber eine sehr hohe Sättigungsmagnetisierung und eine sehr hohe Curie-Temperatur (ca. 1400 °C). Sie hat auch einen geringen Hysterese- und Wirbelstromverlust, was sie für Hochleistungsanwendungen geeignet macht.
Ferrite: Ferrite sind keramische Materialien, die aus Eisenoxyden und anderen Metalloxyden, wie Cobaltoxid oder Nikeloxyd, bestehen. Sie haben niedrige Magnetostriction-Koeffizienten (weniger als 10 ppm), aber auch eine niedrige Sättigungsmagnetisierung und Permeabilität. Sie haben sehr geringe Hysterese- und Wirbelstromverluste, was sie ideal für Hochfrequenzanwendungen macht. Sie haben auch hohe Curie-Temperaturen (über 400 °C) und gute Korrosionsbeständigkeit.
Seltene Erden: Seltene Erden sind Elemente mit Atom-Zahlen von 57 bis 71, wie Lanthan, Cer, Neodym, Samarium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium oder Lutetium. Sie haben sehr hohe Magnetostriction-Koeffizienten (bis zu 1000 ppm), aber auch sehr hohe Hysterese- und Wirbelstromverluste. Sie haben eine moderate Sättigungsmagnetisierung und Permeabilität, aber niedrige Curie-Temperaturen (unter 300 °C). Sie werden oft in Kombination mit anderen Metallen oder Verbindungen verwendet, um Legierungen oder intermetallische Verbindungen mit verbesserten Eigenschaften zu bilden.
Terfenol-D: Terfenol-D ist eine intermetallische Verbindung, die aus Terbium, Eisen und Dysprosium besteht. Es hat den höchsten je gemessenen Magnetostriction-Koeffizienten (ca. 2000 ppm), was bedeutet, dass es sehr große Dehnungen bei Magnetisierung produzieren kann. Es hat auch eine hohe Sättigungsmagnetisierung und eine hohe Curie-Temperatur (ca. 380 °C). Allerdings hat es auch einen sehr hohen Hysterese- und Wirbelstromverlust, was seine Effizienz und Frequenzbereich einschränkt. Es erfordert auch ein hohes magnetisches Feld (ca. 800 kA/m), um seine maximale Dehnung zu erreichen, was seinen Energieverbrauch und -kosten erhöht.
Galfenol: Galfenol ist eine Legierung aus Eisen und Gallium mit einer Zusammensetzung von etwa Fe81Ga19. Es hat einen moderaten Magnetostriction-Koeffizienten (ca. 250 ppm), aber einen sehr geringen Hysterese- und Wirbelstromverlust, was es effizienter und langlebiger als Terfenol-D macht. Es hat auch eine hohe Sättigungsmagnetisierung und eine hohe Curie-Temperatur (ca. 700 °C). Es kann bei niedrigen magnetischen Feldern (ca. 100 kA/m) und hohen Frequenzen (bis 10 kHz) arbeiten.
Metglas: Metglas ist ein metallisches Glas, das aus Eisen, Bor, Silizium und anderen Elementen besteht. Es hat einen niedrigen Magnetostriction-Koeffizienten (ca. 20 ppm), aber eine sehr hohe Sättigungsmagnetisierung und Permeabilität. Es hat auch einen sehr geringen Hysterese- und Wirbelstromverlust, was es ideal für magnetische Abschirmungen und Energiewandlungsanwendungen macht.
