Magnetorestricija: Svojstvo magnetskih materijala
Magnetokonstrukcija definirana je kao svojstvo nekih magnetskih materijala koje uzrokuje promjenu njihove oblike ili dimenzije kada se magnetiziraju vanjskim magnetskim poljem. Promjena veličine ili duljine materijala zbog magnetokonstrukcije ovisi o jačini i smjeru primijenjenog magnetskog polja, kao i o magnetskoj anizotropiji i kristalnoj strukturi materijala.
Magnetokonstrukcija može se koristiti za pretvaranje elektromagnetske energije u mehaničku energiju, ili obrnuto, i temelji se na mnogim primjenama poput akuatora, senzora, transduktora, transformatora, motora i generatora.
Što je Magnetokonstrukcija?
Magnetokonstrukciju prvi put otkrio je James Joule 1842. godine kada je uočio da se željezni čvor malo proširuje kada se magnetizira duž njegove duljine, a malo skuplja kada se magnetizira preko širine. Ovaj fenomen poznat je kao Jouleov efekt, i javlja se u većini feromagnetskih materijala (materijala koji se mogu magnetizirati vanjskim poljem) i nekim ferrimagnetskim materijalima (materijalima s dva suprotna magnetska podsustava).
Fizički mehanizam iza magnetokonstrukcije povezan je s unutrašnjom strukturom magnetskih materijala, koja se sastoji od mikroskopskih područja zvanih domeni. Svaki domen ima uniformnu smjerovanost magnetizacije, koja je određena ravnotežom između magnetske anizotropne energije (tendencija materijala da poravnava svoju magnetizaciju duž određenih kristalnih smjerova) i magnetostatičke energije (tendencija materijala da minimizira svoje magnetske polove).
Kada se vanjsko magnetsko polje primijeni na magnetski materijal, ono djeluje torzijom na domene, što ih dovodi do rotacije i poravnanja s smjerom polja. Taj proces uključuje pokret granica domena (granica između domena s različitim smjerovima magnetizacije) i deformaciju kristalne mreže (raspored atoma u materijalu). Kao rezultat, materijal mijenja svoj oblik ili dimenzije prema svom magnetokonstrukcijskom natezanju (razlomak promjene duljine ili volumena zbog magnetokonstrukcije).
Magnetokonstrukcijsko natezanje ovisi o nekoliko faktora, poput:
Jačina i smjer primijenjenog magnetskog polja
Saturacija magnetizacije (maksimalna moguća magnetizacija) materijala
Magnetska anizotropija (preferencija za određene smjerove magnetizacije) materijala
Magnetoelastično spajanje (interakcija između magnetizacije i elastičnog natezanja) materijala
Temperatura i stanje stresa materijala
Magnetokonstrukcijsko natezanje može biti pozitivno ili negativno, ovisno o tome proširuje li se materijal ili se skuplja kada se magnetizira. Neki materijali pokazuju promjenu predznaka svog magnetokonstrukcijskog natezanja kada su izloženi visokim magnetskim poljima, što se naziva Villarijev obrat.
Magnetokonstrukcijsko natezanje može se mjeriti različitim metodama, poput optičke interferometrije, dilatometara, piezoelastičnih transduktora, ili rezonantnih tehnika. Najčešći parametar koji se koristi za karakterizaciju magnetokonstrukcije jest koeficijent magnetokonstrukcije (poznat i kao Jouleov koeficijent), koji se definiše kao:
λ=LΔL
gdje ΔL predstavlja promjenu duljine materijala kada se magnetizira od nule do saturacije, a L je njegova početna duljina.
Magnetokonstrukcijski Materijali
Postoji mnogo materijala koji pokazuju magnetokonstrukciju, ali neki od njih imaju veće vrijednosti i bolje performanse od drugih. Neke primjere magnetokonstrukcijskih materijala su:
Željezo: Željezo je jedan od najčešćih i najšire upotrebljavanih magnetokonstrukcijskih materijala, zbog svoje visoke saturacije magnetizacije i niske cijene. Međutim, željezo ima i neke nedostatke, poput niskog koeficijenta magnetokonstrukcije (oko 20 ppm), visokog histereze (energija potrošena tijekom svakog ciklusa magnetizacije) i visokog gubitka vrtloga struja (energija potrošena zbog induciranih struja u provodljivim materijalima u materijalu). Željezo također ima nisku Curiejevu temperaturu (temperatura iznad koje materijal gubi svoje feromagnetske svojstvo), što ograničava njegovu upotrebu u aplikacijama na visokim temperaturama.
Nikl: Nikl ima viši koeficijent magnetokonstrukcije od željeza (oko 60 ppm), ali i viši gubitak histereze i gubitak vrtloga struje. Nikl također ima nisku Curiejevu temperaturu (oko 360 °C) i osjetljiv je na koroziju.
Kobalt: Kobalt ima umjereni koeficijent magnetokonstrukcije (oko 30 ppm), ali visoku saturaciju magnetizacije i visoku Curiejevu temperaturu (oko 1120 °C). Kobalt također ima niski gubitak histereze i gubitak vrtloga struje, što ga čini prikladnim za visokofrekventne aplikacije.
Željezo-Aluminijevi leguri (Alfer): Taj legura ima visok koeficijent magnetokonstrukcije (oko 100 ppm), visoku saturaciju magnetizacije i visoku Curiejevu temperaturu (oko 800 °C). Također ima niski gubitak histereze i gubitak vrtloga struje, te dobre mekaničke osobine. Međutim, teško se proizvodi i zahtijeva posebnu toplinsku obradu.
Željezo-Nikl leguri (Permaloy): Taj legura ima niski koeficijent magnetokonstrukcije (oko 1 ppm), ali visoku saturaciju magnetizacije i visoku permeabilnost (sposobnost materijala da podrži unutarnje magnetsko polje). Također ima niski gubitak histereze i gubitak vrtloga struje, što ga čini idealnim za magnetsko štitnje i zapisne aplikacije.
Kobalt-Nikl leguri: Taj legura ima umjereni koeficijent magnetokonstrukcije (oko 20 ppm), ali visoku saturaciju magnetizacije i visoku Curiejevu temperaturu (oko 950 °C). Također ima niski gubitak histereze i gubitak vrtloga struje, te dobru otpornost na koroziju otpornosti.
Željezo-Kobalt leguri: Taj legura ima umjereni koeficijent magnetokonstrukcije (oko 30 ppm), ali vrlo visoku saturaciju magnetizacije i visoku Curiejevu temperaturu (oko 980 °C). Također ima niski gubitak histereze i gubitak vrtloga struje, te dobre mekaničke osobine.
Kobalt-Željezo-Vanadij leguri (Permendur): Taj legura ima niski koeficijent magnetokonstrukcije (oko 5 ppm), ali vrlo visoku saturaciju magnetizacije i vrlo visoku Curiejevu temperaturu (oko 1400 °C). Također ima niski gubitak histereze i gubitak vrtloga struje, što ga čini prikladnim za visokosnažne aplikacije.
Ferriti: Ferriti su keramički materijali sastavljeni od željeznih oksida i drugih metaličkih oksida, poput kobaltnog oksida ili nikelnog oksida. Imaju niske koeficijente magnetokonstrukcije (manje od 10 ppm), ali i niske saturacije magnetizacije i niske permeabilnosti. Imaju vrlo niske gubitke histereze i gubitke vrtloga struje, što ih čini idealnim za visokofrekventne aplikacije. Također imaju visoke Curiejeve temperature (iznad 400 °C) i dobru otpornost na koroziju otpornosti.
