Magnetostricción: Unha Propiedade dos Materiais Magnéticos

A magnetostricción define como a propiedade de algúns materiais magnéticos que os fai cambiar a súa forma ou dimensións cando se magnetizan por un campo magnético externocampo magnético. O cambio no tamaño ou lonxitude dun material debido á magnetostricción depende da forza e dirección do campo magnético aplicadocampo magnético, así como da anisotropía magnética e a estrutura cristalina do material.

A magnetostricción pode utilizarse para converter enerxía electromagnética en enerxía mecánica, ou viceversa, e é a base de moitas aplicacións como actuadores, sensores, transductores,transformadores, motores e xeradores.

Qué é a Magnetostricción?

A magnetostricción foi descuberta por primeira vez por James Joule en 1842, cando observou que unha barra de ferro se estendía lixereamente cando se magnetizaba ao longo da súa lonxitude, e se contraía lixereamente cando se magnetizaba na súa anchura. Este fenómeno coñécese como o efecto de Joule, e ocorre na maioría dosmateriais ferromagnéticos (materiais que poden ser magnetizados por un campo externo) e algunhas ferrimagnéticas (materiais que teñen dúas subretículas magnéticas opostas).

O mecanismo físico detrás da magnetostricción está relacionado coa estrutura interna dos materiais magnéticos, que consiste en rexións microscópicas chamadas dominios. Cada dominio ten unha dirección uniforme de magnetización, que está determinada polo equilibrio entre a enerxía de anisotropía magnética (a tendencia do material a alinear a súa magnetización segundo certas direccións cristalinas) e a enerxía magnetostática (a tendencia do material a minimizar os seus polos magnéticos).

Cando se aplica un campo magnético externo a un material magnético, este exerce un par sobre os dominios, facendo que rotulen e se alineen coa dirección do campo. Este proceso implica o movemento das paredes de dominio (as fronteiras entre dominios con diferentes direccións de magnetización) e a deformación da rede cristalina (a disposición deátomos no material). Como resultado, o material cambia a súa forma ou dimensións segundo a súadeformación magnetoestrictiva (o cambio fraccional na lonxitude ou volume debido á magnetostricción).

Adeformación magnetoestrictiva depende de varios factores, como:

• A magnitude e dirección do campo magnético aplicado

• A magnetización de saturación (a máxima posible magnetización) do material

• A anisotropía magnética (a preferencia por certas direccións de magnetización) do material

• A acoplación magnetoelástica (a interacción entre a magnetización e a deformación elástica) do material

• A temperatura e o estado de estrés do material

A deformación magnetoestrictiva pode ser positiva ou negativa, dependendo de se o material se expande ou contrae cando se magnetiza. Algúns materiais exhiben unha inversión no signo da súa deformación magnetoestrictiva cando están expostos a campos magnéticos altos, o que coñécese como a inversión de Villari.

A deformación magnetoestrictiva pode medirse por diversos métodos, como interferometría óptica,gauges de deformación,transductores piezoeléctricos, ou técnicas resonantes. O parámetro máis común usado para caracterizar a magnetostricción é o coeficiente de magnetostricción (tamén chamado coeficiente de Joule), que se define como:

λ=LΔL

onde ΔL é o cambio na lonxitude do material cando se magnetiza desde cero ata a saturación, e L é a súa lonxitude inicial.

Materiais Magnetoestrictivos

Hai moitos materiais que exhiben magnetostricción, pero algúns delles teñen valores máis altos e mellor rendemento que outros. Algunhas exemplos de materiais magnetoestrictivos son:

• Ferro: O ferro é un dos materiais magnetoestrictivos máis comúns e amplamente utilizados, debido á súa alta magnetización de saturación e baixo custo. No entanto, o ferro tamén ten algúns desvantaxes, como un coeficiente de magnetostricción baixo (aproximadamente 20 ppm), altaperda de histeresis (a enerxía disipada durante cada ciclo de magnetización), e alta perda por correntes de Foucault (a enerxía disipada debido ás correntes inducidas nos materiais conductores no material). O ferro tamén ten unha baixa temperatura de Curie (a temperatura por encima da cal un material perde as súas propiedades ferromagnéticas), o que limita o seu uso en aplicacións de alta temperatura.

• Níquel: O níquel ten un coeficiente de magnetostricción máis alto que o ferro (aproximadamente 60 ppm), pero tamén unhaperda de histeresis e perda por correntes de Foucault máis alta. O níquel tamén ten unha baixa temperatura de Curie (aproximadamente 360 °C) e é propenso á corrosión.

• Cobalto: O cobalto ten un coeficiente de magnetostricción moderado (aproximadamente 30 ppm), pero unha alta magnetización de saturación e unha alta temperatura de Curie (aproximadamente 1120 °C). O cobalto tamén ten unha baixa perda de histeresis e perda por correntes de Foucault, facéndoo adecuado para aplicacións de alta frecuencia.

• Aleación de Ferro-Aluminio (Alfer): Esta aleación ten un coeficiente de magnetostricción alto (aproximadamente 100 ppm), unha alta magnetización de saturación, e unha alta temperatura de Curie (aproximadamente 800 °C). Tamén ten unha baixa perda de histeresis e perda por correntes de Foucault, e boaspropiedades mecánicas. No entanto, é difícil de fabricar e require un tratamento térmico especial.

• Aleación de Ferro-Níquel (Permalloy): Esta aleación ten un coeficiente de magnetostricción baixo (aproximadamente 1 ppm), pero unha alta magnetización de saturación e unha alta permeabilidade (a capacidade dun material de soportar un campo magnético interno). Tamén ten unha baixa perda de histeresis e perda por correntes de Foucault, facéndoa ideal para escudo magnético e aplicacións de gravación.

• Aleación de Cobalto-Níquel: Esta aleación ten un coeficiente de magnetostricción moderado (aproximadamente 20 ppm), pero unha alta magnetización de saturación e unha alta temperatura de Curie (aproximadamente 950 °C). Tamén ten unha baixa perda de histeresis e perda por correntes de Foucault, e boa resistencia á corrosãoresistencia.

• Aleación de Ferro-Cobalto: Esta aleación ten un coeficiente de magnetostricción moderado (aproximadamente 30 ppm), pero unha moi alta magnetización de saturación e unha alta temperatura de Curie (aproximadamente 980 °C). Tamén ten unha baixa perda de histeresis e perda por correntes de Foucault, e boaspropiedades mecánicas.

• Aleación de Cobalto-Ferro-Vanadio (Permendur): Esta aleación ten un coeficiente de magnetostricción baixo (aproximadamente 5 ppm), pero unha moi alta magnetización de saturación e unha moi alta temperatura de Curie (aproximadamente 1400 °C). Tamén ten unha baixa perda de histeresis e perda por correntes de Foucault, facéndoa adecuada para aplicacións de alta potencia.

• Ferritas: As ferritas son materiais cerámicos compostos de óxidos de ferro e outros óxidos metálicos, como óxido de cobalto ou óxido de níquel. Teñen coeficientes de magnetostricción baixos (menos de 10 ppm), pero tamén unha baixa magnetización de saturación e baixa permeabilidade. Teñen unha baixa perda de histeresis e perda por correntes de Foucault, facéndoas ideais para aplicacións de alta frecuencia. Tamén teñen altas temperaturas de Curie (por encima de 400 °C) e boa resistencia á corrosãoresistencia.

• Terras raras: As terras raras son elementos connúmeros atómicos dende 57 a 71, como lantano, cerio, neodimio, samario, gadolinio, terbio, disprosio, holmio, erbio, tulio, itterbio ou lutecio. Teñen coeficientes de magnetostricción moi altos (ata 1000 ppm), pero tamén unha perda de histeresis e perda por correntes de Foucault moi alta. Teñen unha magnetización de saturación e permeabilidade moderadas, pero baixas temperaturas de Curie (por debaixo de 300 °C). Usualmente úsanse en combinación con outros metais ou compoñentes para formar aleacións ou intermetálicos con propiedades melloradas.

• Terfenol-D: O Terfenol-D é un composto intermetálico composto de terbio, ferro e disprosio. Ten o coeficiente de magnetostricción máis alto xa registrado (aproximadamente 2000 ppm), o que significa que pode producir grandes deformacións cando se magnetiza. Tamén ten unha alta magnetización de saturación e unha alta temperatura de Curie (aproximadamente 380 °C). No entanto, tamén ten unha perda de histeresis e perda por correntes de Foucault moi alta, o que limita a súa eficiencia e rango de frecuencia. Ademais, require un campo magnético alto (aproximadamente 800 kA/m) para alcanzar a súa máxima deformación, o que aumenta o consumo de enerxía e o custo.

• Galfenol: O Galfenol é unha aleación de ferro e galio, cunha composición de aproximadamente Fe81Ga19. Ten un coeficiente de magnetostricción moderado (aproximadamente 250 ppm), pero unha perda de histeresis e perda por correntes de Foucault moi baixa, o que o fai máis eficiente e duradeiro que o Terfenol-D. Tamén ten unha alta magnetización de saturación e unha alta temperatura de Curie (aproximadamente 700 °C). Pode operar en campos magnéticos baixos (aproximadamente 100 kA/m) e frecuencias altas (ata 10 kHz).

• Metglas: O Metglas é un vidro metálico composto de ferro, boro, silicio e outros elementos. Ten un coeficiente de magnetostricción baixo (aproximadamente 20 ppm), pero unha alta magnetización de saturación e unha alta permeabilidade. Tamén ten unha perda de histeresis e perda por correntes de Foucault moi ba