انقباض مغناطیسی: یک ویژگی مواد مغناطیسی

مگنتوسترکشن به خاصیت برخی مواد مغناطیسی اشاره دارد که باعث تغییر شکل یا ابعاد آنها هنگام مغناطیسه شدن توسط یک میدان مغناطیسی خارجی می‌شود. تغییر اندازه یا طول یک ماده به دلیل مگنتوسترکشن به قدرت و جهت میدان مغناطیسی اعمال شده، بستگی دارد، همچنین به آنیزوتروپی مغناطیسی و ساختار بلوری ماده.

مگنتوسترکشن می‌تواند برای تبدیل انرژی الکترومغناطیسی به انرژی مکانیکی یا برعکس استفاده شود و پایه بسیاری از کاربردها مانند اکتشافگرهای، حسگرهای، ترانسدیوسرهای، ترانسفورماتورها، موتورها و ژنراتورها است.

مگنتوسترکشن چیست؟

مگنتوسترکشن اولین بار در سال ۱۸۴۲ توسط جیمز جول کشف شد، زمانی که مشاهده کرد یک میله آهنی هنگام مغناطیسه شدن در طول خود کمی طولانی می‌شود و هنگام مغناطیسه شدن در عرض خود کمی کوتاه می‌شود. این پدیده به نام اثر جول شناخته می‌شود و در اکثر مواد فرومغناطیسی (موادی که می‌توانند توسط یک میدان خارجی مغناطیسه شوند) و بعضی از مواد فریمغناطیسی (موادی که دو شبکه مغناطیسی مخالف دارند) رخ می‌دهد.

مکانیسم فیزیکی پشت مگنتوسترکشن با ساختار داخلی مواد مغناطیسی مرتبط است که شامل مناطق میکروسکوپی به نام دامنه‌ها است. هر دامنه یک جهت مغناطیسه‌ی یکنواخت دارد که توسط تعادل بین انرژی آنیزوتروپی مغناطیسی (گرایش ماده برای تراز کردن مغناطیسه‌اش در جهات معین بلور) و انرژی مغناستاتیک (گرایش ماده برای حداقل کردن قطب‌های مغناطیسی‌اش) تعیین می‌شود.

هنگامی که یک میدان مغناطیسی خارجی به یک ماده مغناطیسی اعمال می‌شود، گشتاوری بر دامنه‌ها وارد می‌شود و باعث چرخش و تراز شدن آنها با جهت میدان می‌شود. این فرآیند شامل حرکت دیواره‌های دامنه (مرزهای بین دامنه‌هایی با جهات مغناطیسه‌ی مختلف) و تغییر شکل شبکه بلوری (ترتیب اتوم‌ها در ماده) است. به عنوان نتیجه، ماده شکل یا ابعاد خود را با توجه به کشش مگنتوسترکشنی (تغییر کسری در طول یا حجم به دلیل مگنتوسترکشن) تغییر می‌دهد.

کشش مگنتوسترکشنی به چندین عامل بستگی دارد، از جمله:

• قدر و جهت میدان مغناطیسی اعمال شده

• مغناطیسه‌ی اشباع (حداکثر مغناطیسه‌ی ممکن) ماده

• آنیزوتروپی مغناطیسی (گرایش به جهات مغناطیسه‌ی خاص) ماده

• کوپلینگ مغناستروئیک (تعامل بین مغناطیسه و کشش الاستیک) ماده

• دمای ماده و وضعیت تنش

کشش مگنتوسترکشنی می‌تواند مثبت یا منفی باشد، بسته به اینکه ماده در زمان مغناطیسه‌شدن گسترش یابد یا انقباض. برخی مواد وقتی به میدان‌های مغناطیسی بالا معرض می‌شوند، علامت کشش مگنتوسترکشنی‌شان معکوس می‌شود که به این پدیده معکوس ویلاری گفته می‌شود.

کشش مگنتوسترکشنی می‌تواند با روش‌های مختلفی مانند تداخل‌سنجی نوری، سنجگرهای کششی، ترانسدیورهای پیزوالکتریک یا روش‌های رزونانسی اندازه‌گیری شود. پارامتر معمولی که برای مشخص کردن مگنتوسترکشن استفاده می‌شود ضریب مگنتوسترکشن (همچنین به آن ضریب جول گفته می‌شود) است که به صورت زیر تعریف می‌شود:

λ=LΔL

که در آن ΔL تغییر طول ماده در زمان مغناطیسه‌شدن از صفر به اشباع است و L طول اولیه آن است.

مواد مگنتوسترکشنی

بسیاری از مواد مگنتوسترکشن را نشان می‌دهند، اما بعضی از آنها مقادیر بالاتر و عملکرد بهتری دارند. برخی از نمونه‌های مواد مگنتوسترکشنی عبارتند از:

• آهن: آهن یکی از متداول‌ترین و پرکاربردترین مواد مگنتوسترکشنی است، به دلیل مغناطیسه‌ی اشباع بالا و قیمت پایین. با این حال، آهن نیز دارای برخی از محدودیت‌هاست، مانند ضریب مگنتوسترکشن پایین (حدود ۲۰ ppm)، زیان هیستریس بالا (انرژی تلف شده در هر چرخه مغناطیسه) و زیان ادی جریان بالا (انرژی تلف شده به دلیل القای جریان‌ها در مواد رسانا). آهن نیز دارای دمای کوری پایین (دمایی که بالای آن ماده خصوصیات فرومغناطیسی‌اش را از دست می‌دهد) است که استفاده آن در کاربردهای با دمای بالا را محدود می‌کند.

• نیکل: نیکل ضریب مگنتوسترکشن بالاتری نسبت به آهن (حدود ۶۰ ppm) دارد، اما نیز زیان هیستریس و زیان ادی جریان بالاتری دارد. نیکل نیز دارای دمای کوری پایین (حدود ۳۶۰ درجه سانتیگراد) است و به فرسایش مستعد است.

• Kobalt: Kobalt ضریب مگنتوسترکشن متوسط (حدود ۳۰ ppm) دارد، اما مغناطیسه‌ی اشباع و دمای کوری بالایی (حدود ۱۱۲۰ درجه سانتیگراد) دارد. Kobalt نیز دارای زیان هیستریس و زیان ادی جریان پایین است که آن را برای کاربردهای با فرکانس بالا مناسب می‌کند.

• آلیاژ آهن-آلومینیوم (Alfer): این آلیاژ ضریب مگنتوسترکشن بالا (حدود ۱۰۰ ppm)، مغناطیسه‌ی اشباع بالا و دمای کوری بالا (حدود ۸۰۰ درجه سانتیگراد) دارد. این آلیاژ نیز دارای زیان هیستریس و زیان ادی جریان پایین و خواص مکانیکی خوب است. با این حال، تولید آن دشوار است و نیاز به ریخته‌گری گرمی خاص دارد.

• آلیاژ آهن-نیکل (Permalloy): این آلیاژ ضریب مگنتوسترکشن پایین (حدود ۱ ppm) دارد، اما مغناطیسه‌ی اشباع و نفوذپذیری (قابلیت یک ماده برای پشتیبانی از یک میدان مغناطیسی داخلی) بالا دارد. این آلیاژ نیز دارای زیان هیستریس و زیان ادی جریان پایین است که آن را برای محافظت مغناطیسی و کاربردهای ضبط مناسب می‌کند.

• آلیاژ کبالت-نیکل: این آلیاژ ضریب مگنتوسترکشن متوسط (حدود ۲۰ ppm) دارد، اما مغناطیسه‌ی اشباع و دمای کوری بالا (حدود ۹۵۰ درجه سانتیگراد) دارد. این آلیاژ نیز دارای زیان هیستریس و زیان ادی جریان پایین و مقاومت خوب در برابر فرسایش است.

• آلیاژ آهن-کبالت: این آلیاژ ضریب مگنتوسترکشن متوسط (حدود ۳۰ ppm) دارد، اما مغناطیسه‌ی اشباع و دمای کوری بسیار بالا (حدود ۹۸۰ درجه سانتیگراد) دارد. این آلیاژ نیز دارای زیان هیستریس و زیان ادی جریان پایین و خواص مکانیکی خوب است.

• آلیاژ کبالت-آهن-وانادیوم (Permendur): این آلیاژ ضریب مگنتوسترکشن پایین (حدود ۵ ppm) دارد، اما مغناطیسه‌ی اشباع و دمای کوری بسیار بالا (حدود ۱۴۰۰ درجه سانتیگراد) دارد. این آلیاژ نیز دارای زیان هیستریس و زیان ادی جریان پایین است که آن را برای کاربردهای با قدرت بالا مناسب می‌کند.

• فریت‌ها: فریت‌ها مواد سرامیکی هستند که از اکسیدهای آهن و سایر فلزات مانند اکسید کبالت یا اکسید نیکل تشکیل شده‌اند. آنها ضریب مگنتوسترکشن پایین (کمتر از ۱۰ ppm) دارند، اما نیز مغناطیسه‌ی اشباع و نفوذپذیری پایین. آنها دارای زیان هیستریس و زیان ادی جریان بسیار پایین هستند که آنها را برای کاربردهای با فرکانس بالا مناسب می‌کند. آنها نیز دارای دمای کوری بالا (بالای ۴۰