Magnetokontraktio: Magneettisten materiaalien ominaisuus
Magnetostriction määritellään joitakin magneettisten materiaalien ominaisuutena, joka aiheuttaa niiden muodon tai mittojen muutoksen, kun ne magnetisoitaan ulkoisella magneettikentällä. Materiaalin koon tai pituuden muutos magnetostrictiosta riippuu sovelletun magneettikentän voimakkuudesta ja suunnasta sekä materiaalin magneettisen anisotropian ja kristallirakenteen.
Magnetostrictionia voidaan käyttää sähkömagneettisen energian muuntamiseen mekaaniseksi energiaksi ja päinvastoin, ja se on perusta monille sovelluksille, kuten toimijoille, antureille, siirtolaitteille, muuntajille, moottoreille ja generaattoreille.
Mikä on magnetostriction?
Magnetostriction havaittiin ensimmäisen kerran James Joule'n toimesta vuonna 1842, kun hän huomasi, että rautapalkki piteni hieman, kun sitä magnetisoidaan sen pituus-suunnassa, ja supistui hieman, kun sitä magnetisoidaan sen leveys-suunnassa. Tämä ilmiö tunnetaan Joule'n vaikutuksena, ja se tapahtuu useimmissa ferromagneettisissa materiaaleissa (materiaaleissa, jotka voidaan magnetisoida ulkoisella kentällä) ja joissakin ferrimagneettisissa materiaaleissa (materiaaleissa, joilla on kaksi vastakkain suuntautunutta magneettista alilattiaa).
Magnetostrictionin fyysinen mekanismi liittyy magneettisten materiaalien sisäiseen rakenteeseen, joka koostuu mikroskooppisista alueista, joita kutsutaan domainiksi. Jokaisella domainilla on yhtenäinen magnetisaation suunta, joka määräytyy magneettisen anisotrooppisen energian (materiaalin taipumus suuntautua tiettyihin kristallisuuntiin) ja magnetostatisen energian (materiaalin taipumus vähentää magneettisia nappeja) välisen tasapainon perusteella.
Kun ulkoinen magneettikenttä sovelletaan magneettiseen materiaaliin, se aiheuttaa domainien kieroutumisen ja suuntautumisen kentän suuntaan. Tämä prosessi sisältää domainirajojen (domainien eri magnetisaationsuuntien rajat) liikkumisen ja kristalliverkon (materiaalin atomeja) muodostuman muuttumisen. Tuloksena materiaali muuttaa muotoaan tai mittojaan sen magnetostrictiivisen venymän (pituuden tai tilavuuden osittainen muutos magnetostrictionin vuoksi) mukaisesti.
Materiaalin magnetostrictiivinen venyminen riippuu useista tekijöistä, kuten:
Sovelletun magneettikentän voimakkuus ja suunta
Materiaalin saturointimagnetisaatio (mahdollisimman suuri magnetisaatio)
Materiaalin magneettinen anisotropia (taipumus tietyille magnetisaationsuunnille)
Materiaalin magnetoelastinen kytkentä (magnetisaation ja elastisen venymän välinen vuorovaikutus)
Materiaalin lämpötila ja jännitystila
Magnetostrictiivinen venyminen voi olla positiivinen tai negatiivinen, riippuen laajeneeko materiaali vai supistuuko se magnetisoitaessa. Joissakin materiaaleissa magnetostrictiivisen venymän merkki voi kääntyä, kun ne altistetaan korkealle magneettikentälle, mikä tunnetaan Villarin kääntymisenä.
Magnetostrictiivista venymää voidaan mitata eri menetelmillä, kuten optisella interferometrialla, venymismittareilla, piezoelektrisillä siirtolaitteilla tai resonanssimenetelmillä. Yleisin parametri, jota käytetään magnetostrictionin karakterisointiin, on magnetostrictiivinen kerroin (myös kutsuttu Joule'n kertoimeksi), joka määritellään seuraavasti:
λ=LΔL
missä ΔL on materiaalin pituuden muutos nollasta saturaatiopisteeseen, ja L on alkuperäinen pituus.
Magnetostrictiiviset materiaalit
On olemassa monia materiaaleja, jotka näyttävät magnetostrictionia, mutta joillakin niistä on korkeampia arvoja ja parempi suorituskyky kuin muilla. Joitakin esimerkkejä magnetostrictiivisista materiaaleista ovat:
Rauta: Rauta on yksi yleisimmistä ja laajalti käytetyimmistä magnetostrictiivisista materiaaleista, sen korkean saturaatiomagnetisaation ja matalan hinnan vuoksi. Kuitenkin raudalla on myös joitakin haittapuolia, kuten matala magnetostrictiivinen kerroin (noin 20 ppm), korkea histereesihaara (energian kulutus jokaisessa magnetisaatiokyklyn aikana) ja korkea kiertyvä virtahaara (energian kulutus induktoidujen virtojen vuoksi). Rauta myös on alhaisella Curie-temperatuurilla (temperatuurilla, jossa materiaali menettää ferromagneettiset ominaisuudet), mikä rajoittaa sen käyttöä korkean lämpötilan sovelluksissa.
Nikki: Nikki on korkeammalla magnetostrictiivisella kertoimella kuin rauta (noin 60 ppm), mutta sillä on myös korkeampi histereesihaara ja virtahaara. Nikkilä myös on alhaisella Curie-temperatuurilla (noin 360 °C) ja se on altis korroosiolle.
Kobaalti: Kobaltilla on keskinkertainen magnetostrictiivinen kerroin (noin 30 ppm), mutta korkea saturaatiomagnetisaatio ja korkea Curie-temperatuuri (noin 1120 °C). Kobaaltilla on myös matala histereesihaara ja virtahaara, mikä tekee siitä sopivan korkean taajuuden sovelluksiin.
Rauta-alumiini allas (Alfer): Tällä allasmilla on korkea magnetostrictiivinen kerroin (noin 100 ppm), korkea saturaatiomagnetisaatio ja korkea Curie-temperatuuri (noin 800 °C). Sillä on myös matala histereesihaara ja virtahaara, ja hyvät mekaaniset ominaisuudet. Kuitenkin se on vaikeaa valmistaa ja vaatii erityistä lämmityskäsittelyä.
Rauta-nikki allas (Permalloy): Tällä allasmilla on matala magnetostrictiivinen kerroin (noin 1 ppm), mutta korkea saturaatiomagnetisaatio ja korkea permeabiliteetti (materiaalin kyky tukea sisäistä magneettikenttää). Sillä on myös matala histereesihaara ja virtahaara, mikä tekee siitä ideaalisen magneettisen suojauksen ja tallennussovellusten kannalta.
Kobaalti-nikki allas: Tällä allasmilla on keskinkertainen magnetostrictiivinen kerroin (noin 20 ppm), mutta korkea saturaatiomagnetisaatio ja korkea Curie-temperatuuri (noin 950 °C). Sillä on myös matala histereesihaara ja virtahaara, ja hyvä korroosiostarttuva.
Rauta-kobaalti allas: Tällä allasmilla on keskinkertainen magnetostrictiivinen kerroin (noin 30 ppm), mutta erittäin korkea saturaatiomagnetisaatio ja korkea Curie-temperatuuri (noin 980 °C). Sillä on myös matala histereesihaara ja virtahaara, ja hyvät mekaaniset ominaisuudet.
Kobaalti-rauta-vanaadi allas (Permendur): Tällä allasmilla on matala magnetostrictiivinen kerroin (noin 5 ppm), mutta erittäin korkea saturaatiomagnetisaatio ja erittäin korkea Curie-temperatuuri (noin 1400 °C). Sillä on myös matala histereesihaara ja virtahaara, mikä tekee siitä sopivan korkean tehon sovelluksiin.
Ferritiitit: Ferritiitit ovat keramiikkimateriaaleja, jotka koostuvat rautaoxideista ja muista metallioxideista, kuten koboltioxidista tai nikkelioxidista. Niillä on matalat magnetostrictiiviset kertoimet (alle 10 ppm), mutta myös matala saturaatiomagnetisaatio ja matala permeabiliteetti. Niillä on erittäin matala histereesihaara ja virtahaara, mikä tekee niistä ideaaleja korkean taajuuden sovelluksiin. Niillä on myös korkeat Curie-temperatuurit (yli 400 °C) ja hyvä korroosiostarttuva.
Harvat maat: Harvat maat ovat elementtejä, joiden atomi-numerot ovat 57–71, kuten lantaani, tseeriumi, neodyymi, samarium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium tai lutetium. Niillä on erittäin korkeat magnetostrictiiviset kertoimet (jopa 1000 ppm), mutta myös erittäin korkea histereesihaara ja virtahaara. Niillä on keskinkertainen saturaatiomagnetisaatio ja permeabiliteetti, mutta matala Curie-temperatuuri (alle 300 °C). Niitä käytetään usein yhdistettyinä muiden metallien tai yhdisteiden kanssa muodostamaan allaseja tai intermetallisiä yhdisteitä parannetuilla ominaisuuksilla.
Terfenol-D: Terfenol-D on intermetallinen yhdiste, joka koostuu terbi
