Magnetostriction: Ceenuse materjalide omadus
Magnetostruktsioon on mõnes magnetilises materjalides esinev omadus, mis põhjustab nende kuju või mõõtude muutumist, kui need magnetiseeritakse välispoolse magnetväliga. Materjali suuruse või pikkuse muutumine magnetostruktsiooni tõttu sõltub rakendatud magnetväli tugevusest ja suunast, samuti materjali magnetiline anisotroopia ja kristallstruktuur.
Magnetostruktsiooni saab kasutada elektromagnetilise energia teisendamiseks mehaanilise energiaks ja vastupidi ning see on paljude rakenduste alus, nagu aktuatorid, sensorid, transduktorid, transformatorid, mootorid ja geneerid.
Mis on magnetostruktsioon?
Magnetostruktsioon avastas esimest korda James Joule aastal 1842, kui ta märgistas, et raudne tiib pikenes vähe, kui seda magnetiseeriti selle pikkuses, ja lühenedes vähe, kui seda magnetiseeriti selle laiuses. See nähtus on tuntud kui Joule'i efekt ja see toimub enamikus ferromagnetilistes materjalides (materjalides, mida võib magnetiseerida välispoolse veebi abil) ja mõnes ferrimagnetilises materjal (materjal, millel on kaks vastandlikku magnetilist subraksti).
Magnetostruktsiooni füüsiline mehhanism on seotud magnetiliste materjalide sisemise struktuuri, mis koosneb mikroskoopilistest piirkondadest, mida nimetatakse domeenideks. Igal domeenil on ühtlane magnetiseerimissuund, mis määratakse tasakaalu vahel magnetilise anisotroopiaenergia (materjali tendents oma magnetiseerimist mõnedele kristallidele suunda) ja magnetostaatilise energia (materjali tendents minimeerida oma magnetpoole) vahel.
Kui magnetilise materjali rakendatakse välispoolne magnetväli, siis see avaldab torque domeenidele, pöörates neid ja suunates neid veebi suunas. See protsess hõlmab domeenide seinete (piirkondade, millel on erinev magnetiseerimissuund) liigutamist ja kristalliraksti (materjali aatomid) deformatsiooni. Tulemuseks muutub materjal oma kuju või mõõtudes vastavalt selle magnetostruktsioonilise pingereaktioni (mõõtlik muutus pikkuses või ruumala tõttu magnetostruktsioonilise efekti).
Materjali magnetostruktsioonilise pingereaktioni sõltub mitmest tegurist, nagu:
Rakendatud magnetväli suurus ja suund
Materjali maksimaalne magnetiseerimine (maksimaalne võimalik magnetiseerimine)
Materjali magnetiline anisotroopia (eelistus mõnede magnetiseerimissuundade jaoks)
Materjali magneto-elastsed sidemed (magnetiseerimise ja elastsuse pingereaktioni interaktsioon)
Materjali temperatuur ja pingereaktioon seisund
Magnetostruktsiooniline pingereaktioon võib olla positiivne või negatiivne, sõltuvalt sellest, kas materjal laieneb või kokku surub magnetiseerimisel. Mõned materjalid näitavad oma magnetostruktsioonilise pingereaktiooni märgi pöördumist, kui neid avaldatakse kõrgete magnetvälgadele, mida nimetatakse Villari pöördumiseks.
Magnetostruktsioonilist pingereaktiooni saab mõõta mitmete meetodite abil, nagu optiline interferometria, pingereaktioonigaugid, piezoelektrilised transduktorid või resonaantmeetodid. Kõige levinum parameeter, mida kasutatakse magnetostruktsiooni karakteriseerimiseks, on magnetostruktsioonikordaja (ka Joule'i kordaja), mille defineeritakse järgmiselt:
λ=LΔL
kus ΔL on materjali pikkuse muutus, kui see magnetiseeritakse nullist täispunanevikuni, ja L on selle algne pikkus.
Magnetostruktsioonilised materjalid
On palju materjale, mis näitavad magnetostruktsiooni, kuid mõned neist omavad kõrgemaid väärtusi ja paremat jõudlust. Mõned magnetostruktsiooniliste materjalide näited on:
Raud: Raud on üks levinumatest ja laialdasemalt kasutatavatest magnetostruktsioonilistest materjalidest, selle kõrge täispunaneviigi ja madala hinnaga. Siiski on raudel ka mõned ebasoodsad omadused, nagu madal magnetostruktsioonikordaja (umbes 20 ppm), kõrge histereesi kaots (energia, mis hävitatakse igal magnetiseerimiskiirde tsükli ajal) ja kõrge eddi voolukaots (energia, mis hävitatakse tingitud voolude poolt juhitavates materjalides). Raudel on ka madal Curie temperatuur (temperatuur, mille ületamisel materjal kaotab oma ferromagnetilised omadused), mis piirab selle kasutamist kõrge temperatuuri rakendustes.
Nikel: Nikkelil on kõrgem magnetostruktsioonikordaja kui raudel (umbes 60 ppm), kuid ka kõrgem histereesi kaots ja eddi voolukaots. Nikkelil on madal Curie temperatuur (umbes 360 °C) ja see on altunud korrodatsioonile.
Kobalt: Kobaltil on keskmine magnetostruktsioonikordaja (umbes 30 ppm), kuid kõrge täispunanevik ja kõrge Curie temperatuur (umbes 1120 °C). Kobaltil on madal histereesi kaots ja eddi voolukaots, mis muudab selle sobivaks kõrge sageduse rakendusteks.
Raua-alumiiniumi leeg (Alfer): See leeg omab kõrget magnetostruktsioonikordajat (umbes 100 ppm), kõrget täispunanevikut ja kõrget Curie temperatuuri (umbes 800 °C). Sellel on madal histereesi kaots ja eddi voolukaots, ning hea mehaanilised omadused. Siiski on selle valmistamine keeruline ja selleks on vaja erikohta lämmastamist.
Raua-nikeli leeg (Permalloi): See leeg omab madalat magnetostruktsioonikordajat (umbes 1 ppm), kuid kõrget täispunanevikut ja kõrget permeabilitati (materjali võimet toetada sisenemist magnetväli). Sellel on madal histereesi kaots ja eddi voolukaots, mis muudab selle ideaalseks magneetilise ekraaniga ja salvestamisrakendusteks.
Kobalt-nikeli leeg: See leeg omab keskmist magnetostruktsioonikordajat (umbes 20 ppm), kuid kõrget täispunanevikut ja kõrget Curie temperatuuri (umbes 950 °C). Sellel on madal histereesi kaots ja eddi voolukaots, ning hea korrodatsioon vastupidavus.
Raua-kobalti leeg: See leeg omab keskmist magnetostruktsioonikordajat (umbes 30 ppm), kuid väga kõrget täispunanevikut ja kõrget Curie temperatuuri (umbes 980 °C). Sellel on madal histereesi kaots ja eddi voolukaots, ning hea mehaanilised omadused.
Kobalt-raua-vanaadii leeg (Permendur): See leeg omab madalat magnetostruktsioonikordajat (umbes 5 ppm), kuid väga kõrget täispunanevikut ja väga kõrget Curie temperatuuri (umbes 1400 °C). Sellel on madal histereesi kaots ja eddi voolukaots, mis muudab selle sobivaks kõrge võimsusega rakendusteks.
Ferriidid: Ferriidid on keramiilkategooria materjalid, mis koosnevad rautokside ja muid metalltoxide, nagu kobaltoksiid või nikelioksiid. Nende magnetostruktsioonikordajad on madalad (vähem kui 10 ppm), kuid nende täispunanevik ja permeabilitas on ka madalad. Nende histereesi kaots ja eddi voolukaots on väga madalad, mis muudab need ideaalseks kõrge sageduse rakendusteks. Nende Curie temperatuurid on kõrge (üle 400 °C) ja neil on hea korrodatsioon vastupidavus.
