Μαγνετοστρέβλωση: Μια Ιδιότητα των Μαγνητικών Υλικών

Η μαγνητοστρέψη ορίζεται ως η ιδιότητα κάποιων μαγνητικών υλικών που τους επιτρέπει να αλλάξουν τη μορφή ή τις διαστάσεις τους όταν μαγνητοποιούνται από ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Η αλλαγή στο μέγεθος ή το μήκος ενός υλικού λόγω της μαγνητοστρέψης εξαρτάται από την ένταση και την κατεύθυνση του εφαρμοσμένου μαγνητικού πεδίου, καθώς και τη μαγνητική ανισοτροπία και την κρυσταλλική δομή του υλικού.

Η μαγνητοστρέψη μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μετατροπή ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας σε μηχανική ενέργεια, ή αντιστρόφως, και είναι η βάση πολλών εφαρμογών όπως ακτιβάτορες, αισθητήρες, μετατροπείς, τρανσφόρματα, μοτέρ και γεννήτριες.

Τι είναι η Μαγνητοστρέψη?

Η μαγνητοστρέψη ανακαλύφθηκε πρώτη από τον James Joule το 1842, όταν παρατήρησε ότι ένα σταυρόφερο στενώνει ελαφρώς όταν μαγνητοποιείται κατά μήκος, και συρρικνώνεται ελαφρώς όταν μαγνητοποιείται κατά πλάτος. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως το επίδρασμα Joule, και συμβαίνει σε περισσότερα φερρομαγνητικά υλικά (υλικά που μπορούν να μαγνητοποιηθούν από ένα εξωτερικό πεδίο) και κάποια φερριμαγνητικά υλικά (υλικά που έχουν δύο αντίθετες μαγνητικές υποδομές).

Ο φυσικός μηχανισμός πίσω από τη μαγνητοστρέψη σχετίζεται με την εσωτερική δομή των μαγνητικών υλικών, η οποία αποτελείται από μικροσκοπικές περιοχές που ονομάζονται δομίες. Κάθε δομή έχει ομοιόμορφη μαγνητοποίηση, η οποία καθορίζεται από την ισορροπία μεταξύ της μαγνητικής ανισοτροπίας (η τάση του υλικού να στροφορίζει τη μαγνητοποίησή του κατά κάποιες κρυσταλλικές κατευθύνσεις) και της μαγνητοστατικής ενέργειας (η τάση του υλικού να ελαχιστοποιήσει τα μαγνητικά του πόλοι).

Όταν εφαρμόζεται ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο σε ένα μαγνητικό υλικό, ασκεί τορκέο στις δομίες, προκαλώντας τις να περιστρέφονται και να στροφορίζονται με την κατεύθυνση του πεδίου. Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει την κίνηση των δομικών τοίχων (οι οριακές περιοχές μεταξύ δομιών με διαφορετικές κατευθύνσεις μαγνητοποίησης) και την παραμόρφωση του κρυσταλλικού πλέγματος (η διάταξη των ατόμων στο υλικό). Ως αποτέλεσμα, το υλικό αλλάζει τη μορφή ή τις διαστάσεις του σύμφωνα με την μαγνητοστρεπτική παραμόρφωση (η κλαστική αλλαγή στο μήκος ή τον όγκο λόγω της μαγνητοστρέψης).

Η μαγνητοστρεπτική παραμόρφωση εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως:

• Η ένταση και η κατεύθυνση του εφαρμοσμένου μαγνητικού πεδίου

• Η κορυφαία μαγνητοποίηση (η μέγιστη δυνατή μαγνητοποίηση) του υλικού

• Η μαγνητική ανισοτροπία (η προτίμηση για κάποιες κατευθύνσεις μαγνητοποίησης) του υλικού

• Η μαγνητοελαστική συνδυασμός (η αλληλεπίδραση μεταξύ μαγνητοποίησης και ελαστικής παραμόρφωσης) του υλικού

• Η θερμοκρασία και η κατάσταση έντασης του υλικού

Η μαγνητοστρεπτική παραμόρφωση μπορεί να είναι θετική ή αρνητική, ανάλογα με το αν το υλικό επεκτείνεται ή συρρικνώνεται όταν μαγνητοποιείται. Κάποια υλικά εμφανίζουν ανατροπή στο σημάδι της μαγνητοστρεπτικής παραμόρφωσης όταν εκτίθενται σε υψηλά μαγνητικά πεδία, γνωστή ως ανατροπή Villari.

Η μαγνητοστρεπτική παραμόρφωση μπορεί να μετρηθεί με διάφορες μεθόδους, όπως οπτική διαφωνία, διαστατοί αισθητήρες, πιεζοηλεκτρικοί μετατροπείς, ή τεχνικές συντονισμού. Ο πιο κοινός παράμετρος που χρησιμοποιείται για την χαρακτηρισμό της μαγνητοστρέψης είναι ο συντελεστής μαγνητοστρέψης (επίσης γνωστός ως συντελεστής Joule), ο οποίος ορίζεται ως:

λ=LΔL

όπου ΔL είναι η αλλαγή στο μήκος του υλικού όταν μαγνητοποιείται από μηδέν σε κορυφαία, και L είναι το αρχικό μήκος του.

Μαγνητοστρεπτικά Υλικά

Υπάρχουν πολλά υλικά που εμφανίζουν μαγνητοστρέψη, αλλά κάποια από αυτά έχουν υψηλότερες τιμές και καλύτερη απόδοση από τα άλλα. Κάποια παραδείγματα μαγνητοστρεπτικών υλικών είναι:

• Σίδηρος: Ο σίδηρος είναι ένα από τα πιο κοινά και ευρέως χρησιμοποιούμενα μαγνητοστρεπτικά υλικά, λόγω της υψηλής κορυφαίας μαγνητοποίησης και του χαμηλού κόστους. Ωστόσο, ο σίδηρος έχει και μερικές αδυναμίες, όπως χαμηλό συντελεστή μαγνητοστρέψης (περίπου 20 ppm), υψηλή απώλεια ύστερησης (η ενέργεια που διαλύεται κατά κάθε κύκλο μαγνητοποίησης), και υψηλή απώλεια εδδυλλικής ροής (η ενέργεια που διαλύεται λόγω των επαγωγικών ροών σε διαγωνιστικά υλικά στο υλικό). Ο σίδηρος έχει επίσης χαμηλή θερμοκρασία Curie (η θερμοκρασία πάνω από την οποία ένα υλικό χάνει τις φερρομαγνητικές ιδιότητες), η οποία περιορίζει τη χρήση του σε εφαρμ