Magnetostriction: A Property of Magnetic Materials Magnetostriction: Mágneses anyagok tulajdonsága
A magnétostriction definíciója szerint néhány mágneses anyag tulajdonsága, amely miatt az alakjuk vagy méreteik megváltoznak, amikor egy külső mágneses mező hat rájuk. Az anyag méretének vagy hosszának változása a magnétostriction miatt függ a felülről alkalmazott mágneses mező erősségétől és irányától, valamint az anyag mágneses anizotropiájától és kristályrácsának szerkezetétől.
A magnétostriction használható elektromos energiát mechanikus energiára, vagy fordítva, valamint számos alkalmazás alapjaként, mint például aktuátorok, érzékelők, transzducerek, transzformátorok, motorok és generátorok.
Mi a magnétostriction?
A magnétostrictionet először James Joule fedezte fel 1842-ben, amikor megfigyelte, hogy egy vasrúd kicsit hosszabbodott, amikor hosszirányban mágnesesítette, és kicsit rövidebblett, amikor szélességen mágnesesítette. Ez a jelenség Joule-hatásnak is nevezik, és ez a legtöbb ferrómágneses anyagban (anyag, amelyet külső mezővel lehet mágnesesíteni) és néhány ferrimágneses anyagban (anyag, amelyben két ellentétes mágneses részrács van).
A magnétostriction fizikai mechanizmusa kapcsolódik a mágneses anyagok belső szerkezetéhez, amely mikroszkopikus régiókból, tartományokból áll. Minden tartomány egyenletes mágnesesítési iránnyal rendelkezik, amely a mágneses anizotropiájú energia (az anyag tendenciája, hogy mágnesesítése bizonyos kristályirányok mentén igazodjon) és a mágnesstatikus energia (az anyag tendenciája, hogy minimalizálja a mágneses pólusait) közötti egyensúlyon alapul.
Amikor külső mágneses mezőt alkalmaznak egy mágneses anyagra, a mező forgatónyomatékot fejt ki a tartományokon, ami azt okozza, hogy a tartományok elforguljanak és a mező irányával igazodjanak. Ez a folyamat tartományfalak (a különböző mágnesesítési irányokkal rendelkező tartományok közötti határ) mozgását és a kristályrács deformációját (az anyagban található atomok elrendezése) jellemzi. Így az anyag alakja vagy méretei a magnétostriction szenzitív nyomása (a hosszúság vagy térfogat történeti változása a magnétostriction miatt) alapján változnak.
A magnétostriction szenzitív nyomása több tényezőtől függ, mint például:
Az alkalmazott mágneses mező erőssége és iránya
Az anyag sättigési mágnesesítése (a lehetséges legnagyobb mágnesesítés)
Az anyag mágneses anizotropiája (a bizonyos mágnesesítési irányok preferenciája)
Az anyag magnéto-elastikus kötődése (a mágnesesítés és rugósnynyalánzat közötti interakció)
Az anyag hőmérséklete és feszültségi állapota
A magnétostriction szenzitív nyomása pozitív vagy negatív lehet, attól függően, hogy az anyag kinyúlik-e vagy összezsugorodik, amikor mágnesesítve van. Néhány anyag a Villari-fordulat néven ismert jelenséget mutat, amikor nagy mágneses mezők hatására a magnétostriction szenzitív nyomásának jele megváltozik.
A magnétostriction szenzitív nyomást több módszerrel is mérhetik, mint például optikai interferometria, rugósnynyalánzati mérő, piezoelektrikus transzducerek, vagy rezonancia technikák. A magnétostriction jellemzésére leggyakrabban használt paraméter a magnétostriction együttható (más néven Joule-együttható), amely a következőképpen definiálódik:
λ=LΔL
ahol ΔL az anyag hosszának változása a nulla mágnesesítéstől a teljes sättigésig, és L az eredeti hossz.
Magnétostrictiones anyagok
Számos anyag mutat magnétostriction jelenséget, de néhányuk magasabb értékekkel és jobb teljesítménnyel rendelkezik. Néhány példa a magnétostrictiones anyagokra:
Vas: A vas az egyik leggyakrabban használt magnétostrictiones anyag, mivel magas sättigési mágnesesítésével és alacsony árával rendelkezik. Ugyanakkor a vashoz is vannak hátrányok, mint például alacsony magnétostriction együttható (kb. 20 ppm), magas hysteresis veszteség (az energiadisszipáció minden mágnesesítési ciklus során), és magas eddy áram veszteség (az indukált áramok miatti energiadisszipáció a vezető anyagokban). A vas Curie-hőmérséklete is alacsony (a hőmérséklet, amelynél az anyag elveszíti a ferrómágneses tulajdonságait), ami korlátozza használatát a magas hőmérsékletű alkalmazásokban.
Nikel: A nikel magasabb magnétostriction együtthatóval rendelkezik, mint a vas (kb. 60 ppm), de magasabb hysteresis veszteség és eddy áram veszteség. A nikel Curie-hőmérséklete is alacsony (kb. 360 °C) és korrodálható.
Kobalt: A kobalt közepes magnétostriction együtthatóval (kb. 30 ppm), de magas sättigési mágnesesítéssel és magas Curie-hőmérséklettel (kb. 1120 °C) rendelkezik. A kobalt alacsony hysteresis és eddy áram veszteséggel bír, ami alkalmas a magas frekvenciás alkalmazásokhoz.
Vas-alumínium szövetszer (Alfer): Ez a szövetszer magas magnétostriction együtthatóval (kb. 100 ppm), magas sättigési mágnesesítéssel és magas Curie-hőmérséklettel (kb. 800 °C) rendelkezik. Alacsony hysteresis és eddy áram veszteséggel, valamint jó mechanikai tulajdonságokkal. Azonban nehéz gyártani, és speciális hőkezelést igényel.
Vas-nikel szövetszer (Permalloy): Ez a szövetszer alacsony magnétostriction együtthatóval (kb. 1 ppm), de magas sättigési mágnesesítéssel és magas permeabilitással (az anyag képessége, hogy belső mágneses mezőt támogasson) rendelkezik. Alacsony hysteresis és eddy áram veszteséggel, ami ideális a mágneses elszigeteléshez és rögzítési alkalmazásokhoz.
Kobalt-nikel szövetszer: Ez a szövetszer közepes magnétostriction együtthatóval (kb. 20 ppm), de magas sättigési mágnesesítéssel és magas Curie-hőmérséklettel (kb. 950 °C) rendelkezik. Alacsony hysteresis és eddy áram veszteséggel, valamint jó korroziónállású.
Vas-kobalt szövetszer: Ez a szövetszer közepes magnétostriction együtthatóval (kb. 30 ppm), de nagyon magas sättigési mágnesesítéssel és magas Curie-hőmérséklettel (kb. 980 °C) rendelkezik. Alacsony hysteresis és eddy áram veszteséggel, valamint jó mechanikai tulajdonságokkal.
Kobalt-vas-vanádium szövetszer (Permendur): Ez a szövetszer alacsony magnétostriction együtthatóval (kb. 5 ppm), de nagyon magas sättigési mágnesesítéssel és nagyon magas Curie-hőmérséklettel (kb. 1400 °C) rendelkezik. Alacsony hysteresis és eddy áram veszteséggel, ami alkalmas a nagy teljesítményű alkalmazásokhoz.
Ferritétek: A ferritétek keramikai anyagok, amelyek vashidrogénket és más fémmagángyakorokat, mint például a kobalt-oxid vagy a nikel-oxid, tartalmaznak. Alacsony magnétostriction együtthatókkal (kevesebb, mint 10 ppm), de alacsony sättigési mágnesesítéssel és alacsony permeabilitással. Nagyon alacsony hysteresis és eddy áram veszteséggel, ami ideális a magas frekvenciás alkalmazásokhoz. Magas Curie-hőmérséklettel (felett 400 °C) és jó korroziónállású.
Fémek: A fémek olyan elemek, amelyek atómi
