Magnetostriction: Isang Katangian ng mga Materyales na May Pwersa Magnetiko
Ang magnetostriction ay inilalarawan bilang katangian ng ilang materyales na may magnetic na nagpapabago sa kanilang hugis o sukat kapag sila ay namagnetize ng isang panlabas na magnetic field. Ang pagbabago sa sukat o haba ng isang materyal dahil sa magnetostriction ay depende sa lakas at direksyon ng ipinapatong na magnetic field, pati na rin ang magnetic anisotropy at crystal structure ng materyal.
Ang magnetostriction ay maaaring gamitin upang i-convert ang electromagnetic energy sa mechanical energy, o vice versa, at ito ang pundasyon para sa maraming aplikasyon tulad ng actuators, sensors, transducers, transformers, motors, at generators.
Ano ang Magnetostriction?
Unang natuklasan ang magnetostriction ni James Joule noong 1842 nang siya ay nakamanta na ang isang bar ng bakal ay medyo lumaki kapag ito ay namagnetize sa kanyang haba, at medyo lumitaw kapag ito ay namagnetize sa kanyang lapad. Ang pangyayari na ito ay kilala bilang epekto ni Joule, at ito ay nangyayari sa karamihan ng ferromagnetic materials (materyales na maaaring namagnetize ng isang panlabas na field) at ilang ferrimagnetic materials (materyales na may dalawang magkasalungat na magnetic sublattices).
Ang pisikal na mekanismo sa likod ng magnetostriction ay kaugnay sa panloob na istraktura ng mga magnetic materials, na binubuo ng mikroskopikong rehiyon na tinatawag na domains. Bawat domain ay may pantay na direksyon ng magnetization, na itinakda ng balanse sa pagitan ng magnetic anisotropy energy (ang tendensya ng materyal na mag-alingawngaw ng kanyang magnetization sa tiyak na direksyon ng kristal) at ang magnetostatic energy (ang tendensya ng materyal na iminimize ang kanyang magnetic poles).
Kapag isang panlabas na magnetic field ay ipinapatong sa isang magnetic material, ito ay nagpapahiwatig ng isang torque sa mga domain, na nagdudulot sa kanila na umikot at mag-alingawngaw sa direksyon ng field. Ang prosesong ito ay kasama ang paggalaw ng mga domain walls (ang mga hangganan sa pagitan ng mga domain na may iba't ibang direksyon ng magnetization) at ang deformasyon ng crystal lattice (ang pagkakasunod-sunod ng atoms sa materyal). Bilang resulta, ang materyal ay nagbabago ng hugis o sukat ayon sa kanyang magnetostrictive strain (ang fractional change sa haba o volume dahil sa magnetostriction).
Ang magnetostrictive strain depende sa maraming mga factor, tulad ng:
Ang magnitude at direksyon ng ipinapatong na magnetic field
Ang saturation magnetization (ang maximum na posible na magnetization) ng materyal
Ang magnetic anisotropy (ang paborito para sa tiyak na direksyon ng magnetization) ng materyal
Ang magnetoelastic coupling (ang interaksiyon sa pagitan ng magnetization at elastic strain) ng materyal
Ang temperatura at stress state ng materyal
Ang magnetostrictive strain maaaring positibo o negatibo, depende kung ang materyal ay lumalaki o bumababa kapag ito ay namagnetize. Ilang materyal ay nagpapakita ng pagbaliktad ng sign ng kanilang magnetostrictive strain kapag ito ay na-expose sa mataas na magnetic fields, na kilala bilang Villari reversal.
Ang magnetostrictive strain maaaring sukatin sa iba't ibang pamamaraan, tulad ng optical interferometry, strain gauges, piezoelectric transducers, o resonant techniques. Ang pinaka-karaniwang parameter na ginagamit upang ilarawan ang magnetostriction ay ang magnetostriction coefficient (na tinatawag din na Joule’s coefficient), na itinakda bilang:
λ=LΔL
kung saan ΔL ang pagbabago sa haba ng materyal kapag ito ay namagnetize mula zero hanggang sa saturation, at L ang kanyang unang haba.
Mga Materyal na Magnetostrictive
May maraming materyal na nagpapakita ng magnetostriction, ngunit ang ilan sa kanila ay may mas mataas na halaga at mas mahusay na performance kaysa sa iba. Ilang halimbawa ng magnetostrictive materials ay:
Bakal: Ang bakal ay isa sa pinaka-karaniwan at malawakang ginagamit na magnetostrictive materials, dahil sa kanyang mataas na saturation magnetization at mababang cost. Gayunpaman, ang bakal ay may ilang mga kakulangan, tulad ng mababang magnetostriction coefficient (humigit-kumulang 20 ppm), mataas na hysteresis loss (ang enerhiyang nawawala bawat siklo ng magnetization), at mataas na eddy current loss (ang enerhiyang nawawala dahil sa induced currents sa conductive materials sa materyal). Ang bakal ay may mababang Curie temperature (ang temperatura na sa itaas ng kanyang ferromagnetic properties), na limita ang kanyang gamit sa high-temperature applications.
Nikel: Ang nikel ay may mas mataas na magnetostriction coefficient kaysa sa bakal (humigit-kumulang 60 ppm), ngunit mayroon din itong mas mataas na hysteresis loss at eddy current loss. Ang nikel ay may mababang Curie temperature (humigit-kumulang 360 °C) at prone sa corrosion.
Kobalto: Ang kobalto ay may moderate magnetostriction coefficient (humigit-kumulang 30 ppm), ngunit may mataas na saturation magnetization at mataas na Curie temperature (humigit-kumulang 1120 °C). Ang kobalto ay may mababang hysteresis loss at eddy current loss, na nagpapahusay sa kanya para sa high-frequency applications.
Iron-Aluminum Alloy (Alfer): Ang alloy na ito ay may mataas na magnetostriction coefficient (humigit-kumulang 100 ppm), mataas na saturation magnetization, at mataas na Curie temperature (humigit-kumulang 800 °C). Ito ay may mababang hysteresis loss at eddy current loss, at magandang mechanical properties. Gayunpaman, ito ay mahirap fabrikan at nangangailangan ng espesyal na heat treatment.
Iron-Nickel Alloy (Permalloy): Ang alloy na ito ay may mababang magnetostriction coefficient (humigit-kumulang 1 ppm), ngunit may mataas na saturation magnetization at mataas na permeability (ang kakayahang suportahan ng isang materyal ang isang internal magnetic field). Ito ay may mababang hysteresis loss at eddy current loss, na nagpapahusay sa kanya para sa magnetic shielding at recording applications.
Cobalt-Nickel Alloy: Ang alloy na ito ay may moderate magnetostriction coefficient (humigit-kumulang 20 ppm), ngunit may mataas na saturation magnetization at mataas na Curie temperature (humigit-kumulang 950 °C). Ito ay may mababang hysteresis loss at eddy current loss, at magandang corrosion resistance.
Iron-Cobalt Alloy: Ang alloy na ito ay may moderate magnetostriction coefficient (humigit-kumulang 30 ppm), ngunit may napakataas na saturation magnetization at mataas na Curie temperature (humigit-kumulang 980 °C). Ito ay may mababang hysteresis loss at eddy current loss, at magandang mechanical properties.
Cobalt-Iron-Vanadium Alloy (Permendur): Ang alloy na ito ay may mababang magnetostriction coefficient (humigit-kumulang 5 ppm), ngunit may napakataas na saturation magnetization at napakataas na Curie temperature (humigit-kumulang 1400 °C). Ito ay may mababang hysteresis loss at eddy current loss, na nagpapahusay sa kanya para sa high-power applications.
Ferrites: Ang ferrites ay mga ceramic materials na binubuo ng iron oxides at iba pang metal oxides, tulad ng cobalt oxide o nickel oxide. Ito ay may mababang magnetostriction coefficients (mas mababa kaysa 10 ppm), ngunit may mababang saturation magnetization at mababang permeability. Ito ay may napakataas na hysteresis loss at eddy current loss, na nagpapahusay sa kanya para sa high-frequency applications. Ito ay may mataas na Curie temperatures (sa itaas ng 400 °C) at magandang corrosion resistance.
Rare Earths: Ang rare earths ay mga elemento na may atomic numbers mula 57 hanggang 71, tulad ng lanthanum, cerium, neodymium, samarium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium o lutetium. Ito ay may napakataas na magnetostriction coefficients (hanggang 1000 ppm), ngunit may napakataas na hysteresis loss at eddy current loss. Ito ay may moderate saturation magnetization at permeability, ngunit mababang Curie temperatures (sa ibaba ng 300 °C). Ito ay madalas ginagamit sa kombinasyon sa iba pang metals o compounds upang gumawa ng alloys o inter
