Magnetostrizione: Una Proprietà dei Materiali Magnetici
La magnetostrizione è definita come la proprietà di alcuni materiali magnetici che li fa cambiare forma o dimensioni quando sono magnetizzati da un campo magnetico esterno. La variazione di dimensione o lunghezza di un materiale dovuta alla magnetostrizione dipende dalla forza e dalla direzione del campo magnetico applicato, nonché dall'anisotropia magnetica e dalla struttura cristallina del materiale.
La magnetostrizione può essere utilizzata per convertire l'energia elettromagnetica in energia meccanica e viceversa, ed è alla base di molte applicazioni come attuatori, sensori, trasduttori, trasformatori, motori e generatori.
Cos'è la Magnetostrizione?
La magnetostrizione fu scoperta per la prima volta da James Joule nel 1842, quando osservò che una barra di ferro si allungava leggermente quando magnetizzata lungo la sua lunghezza e si contraeva leggermente quando magnetizzata attraverso la sua larghezza. Questo fenomeno è noto come effetto Joule e si verifica nella maggior parte dei materiali ferromagnetici (materiali che possono essere magnetizzati da un campo esterno) e in alcuni materiali ferrimagnetici (materiali che hanno due reticoli magnetici opposti).
Il meccanismo fisico alla base della magnetostrizione è correlato alla struttura interna dei materiali magnetici, che consiste in regioni microscopiche chiamate domini. Ogni dominio ha una direzione uniforme di magnetizzazione, determinata dal bilancio tra l'energia di anisotropia magnetica (la tendenza del materiale ad allineare la sua magnetizzazione lungo certe direzioni cristalline) e l'energia magnetostatica (la tendenza del materiale a minimizzare i suoi poli magnetici).
Quando un campo magnetico esterno viene applicato a un materiale magnetico, esercita una coppia sui domini, causandone la rotazione e l'allineamento con la direzione del campo. Questo processo coinvolge il movimento delle pareti dei domini (i confini tra domini con diverse direzioni di magnetizzazione) e la deformazione della rete cristallina (l'arrangiamento degli atomi nel materiale). Di conseguenza, il materiale cambia forma o dimensioni in base alla sua deformazione magnetostrictiva (il cambiamento frazionale di lunghezza o volume dovuto alla magnetostrizione).
La deformazione magnetostrictiva dipende da diversi fattori, come:
L'intensità e la direzione del campo magnetico applicato
La magnetizzazione di saturazione (la massima magnetizzazione possibile) del materiale
L'anisotropia magnetica (la preferenza per determinate direzioni di magnetizzazione) del materiale
Il colpo magnetoelastico (l'interazione tra magnetizzazione e deformazione elastica) del materiale
La temperatura e lo stato di tensione del materiale
La deformazione magnetostrictiva può essere positiva o negativa, a seconda che il materiale si espanda o si contragga quando viene magnetizzato. Alcuni materiali mostrano un'inversione del segno della loro deformazione magnetostrictiva quando sono esposti a campi magnetici elevati, un fenomeno noto come inversione di Villari.
La deformazione magnetostrictiva può essere misurata con vari metodi, come l'interferometria ottica, le dinamometri, i trasduttori piezoelettrici, o tecniche risonanti. Il parametro più comune utilizzato per caratterizzare la magnetostrizione è il coefficiente di magnetostrizione (anche chiamato coefficiente di Joule), definito come:
λ=LΔL
dove ΔL è la variazione di lunghezza del materiale quando viene magnetizzato da zero a saturazione, e L è la sua lunghezza iniziale.
Materiali Magnetostrictivi
Esistono molti materiali che esibiscono magnetostrizione, ma alcuni di essi hanno valori superiori e prestazioni migliori rispetto ad altri. Ecco alcuni esempi di materiali magnetostrictivi:
Ferro: Il ferro è uno dei materiali magnetostrictivi più comuni e ampiamente utilizzati, grazie alla sua alta magnetizzazione di saturazione e al basso costo. Tuttavia, il ferro presenta anche alcuni svantaggi, come un basso coefficiente di magnetostrizione (circa 20 ppm), un'elevata perdita di isteresi (l'energia dissipata durante ogni ciclo di magnetizzazione) e alte perdite per correnti indotte (l'energia dissipata a causa delle correnti indotte nei materiali conduttori). Il ferro ha anche una bassa temperatura di Curie (la temperatura sopra la quale un materiale perde le sue proprietà ferromagnetiche), il che limita il suo utilizzo in applicazioni ad alta temperatura.
Nichel: Il nichel ha un coefficiente di magnetostrizione superiore al ferro (circa 60 ppm), ma anche un'elevata perdita di isteresi e correnti indotte. Il nichel ha anche una bassa temperatura di Curie (circa 360 °C) ed è soggetto a corrosione.
Cobalto: Il cobalto ha un coefficiente di magnetostrizione moderato (circa 30 ppm), ma una alta magnetizzazione di saturazione e una alta temperatura di Curie (circa 1120 °C). Il cobalto ha anche una bassa perdita di isteresi e correnti indotte, rendendolo adatto per applicazioni ad alta frequenza.
Legame Ferro-Alluminio (Alfer): Questo legame ha un alto coefficiente di magnetostrizione (circa 100 ppm), una alta magnetizzazione di saturazione e una alta temperatura di Curie (circa 800 °C). Ha anche una bassa perdita di isteresi e correnti indotte, e buone proprietà meccaniche. Tuttavia, è difficile da fabbricare e richiede trattamenti termici speciali.
Legame Ferro-Nichel (Permalloy): Questo legame ha un basso coefficiente di magnetostrizione (circa 1 ppm), ma una alta magnetizzazione di saturazione e permeabilità (la capacità di un materiale di supportare un campo magnetico interno). Ha anche una bassa perdita di isteresi e correnti indotte, rendendolo ideale per schermature magnetiche e applicazioni di registrazione.
Legame Cobalto-Nichel: Questo legame ha un coefficiente di magnetostrizione moderato (circa 20 ppm), ma una alta magnetizzazione di saturazione e una alta temperatura di Curie (circa 950 °C). Ha anche una bassa perdita di isteresi e correnti indotte, e buona resistenza alla corrosione.
Legame Ferro-Cobalto: Questo legame ha un coefficiente di magnetostrizione moderato (circa 30 ppm), ma una molto alta magnetizzazione di saturazione e una alta temperatura di Curie (circa 980 °C). Ha anche una bassa perdita di isteresi e correnti indotte, e buone proprietà meccaniche.
Legame Cobalto-Ferro-Vanadio (Permendur): Questo legame ha un basso coefficiente di magnetostrizione (circa 5 ppm), ma una molto alta magnetizzazione di saturazione e una altissima temperatura di Curie (circa 1400 °C). Ha anche una bassa perdita di isteresi e correnti indotte, rendendolo adatto per applicazioni ad alta potenza.
Ferriti: Le ferriti sono materiali ceramici composti da ossidi di ferro e altri ossidi metallici, come l'ossido di cobalto o l'ossido di nichel. Hanno bassi coefficienti di magnetostrizione (meno di 10 ppm), ma anche una bassa magnetizzazione di saturazione e permeabilità. Hanno perdite di isteresi e correnti indotte molto basse, rendendole ideali per applicazioni ad alta frequenza. Hanno anche temperature di Curie elevate (superiori a 400 °C) e buona resistenza alla corrosione.
Terraltri: I terraltri sono elementi con numeri atomici compresi tra 57 e 71, come lantanio, cerio, neodimio, samario, gadolinio, terbio, disprosio, olmio, erbio, tulio, itterbio o lutecio. Hanno coefficienti di magnetostrizione molto elevati (fino a 1000 ppm), ma anche perdite di isteresi e correnti indotte molto elevate. Hanno una magnetizzazione di saturazione e permeabilità moderate, ma temperature di Curie basse (inferiori a 300 °C). Sono spesso utilizzati in combinazione con altri metalli o composti per formare leghe o intermettali con proprietà migliorate.
Terfenol-D: Il Terfenol-D è un composto intermettale composto da terbio, ferro e disprosio. Ha il coefficiente di magnetostrizione più elevato mai registrato (circa 2000 ppm), il che significa che può produrre grandi deformazioni quando magnetizzato. Ha anche una alta magnetizzazione di saturazione e una alta temperatura di Curie (circa 380 °C). Tuttavia, ha anche una perdita di isteresi e correnti indotte molto elevata, il che limita la sua efficienza e la gamma di frequenza. Richiede anche un campo magnetico elevato (circa 800 kA/m) per raggiungere la sua massima deformazione, aumentando il consumo di potenza e il costo.
Galfenol: Il Galfenol è un legame di ferro e gallio, con una composizione di circa Fe81Ga19. Ha un coefficiente di magnetostrizione moderato (circa 250 ppm), ma una perdita di isteresi e correnti indotte molto bassa, il che lo rende più efficiente e duraturo del Terfenol-D. Ha anche una alta magnetizzazione di saturazione e una alta temperatura di Curie (circa 700 °C). Può operare a bassi campi magnetici (circa 100 kA/m) e alte frequenze (fino a 10 kHz).
Metglas: Il Metglas è un vetro metallico composto da ferro, boro, silicio e altri elementi. Ha un basso coefficiente di magnetostrizione (circa 20 ppm), ma una molto alta magnetizzazione di saturazione e permeabilità. Ha anche una perdita di isteresi e correnti indotte molto bassa, rendendolo ideale per schermature magnetiche e applicazioni di conversione di potenza.
Applicazioni della Magnetostrizione
La magnetostrizione ha molte applicazioni in vari campi, come:
Attuatori: Gli attuatori sono dispositivi che convertono l'energia elettrica in moto meccanico, o viceversa. Gli attuatori magnetostrictivi utilizzano materiali magnetostrictivi per produrre movimenti lineari o rotativi quando sottoposti a un campo magnetico o per generare un campo magnetico quando sottoposti a stress meccanico. Gli attuatori magnetostrictivi hanno vantaggi rispetto ad altri tipi di attuatori, come quelli piezoelettrici o elettrostatici, in termini di forza maggiore, spostamento maggiore, risposta più rapida, minor consumo di potenza, design più semplice e vita utile più lunga.
Sensori: I sensori sono dispositivi che misurano quantità fisiche, come forza, pressione, temperatura, spostamento o campo magnetico. I sensori magnetostrictivi utilizzano materiali magnetostrictivi per rilevare i cambiamenti in queste quantità misurando la deformazione o la magnetizzazione indotta nel materiale. I sensori magnetostrictivi hanno vantaggi rispetto ad altri tipi di sensori, come i dinamometri o i sensori capacitivi, in termini di sensibilità maggiore, precisione, stabilità, affidabilità e durata.
Trasduttori: I trasduttori sono dispositivi che convertono una forma di energia in un'altra, come suono o ultrasuoni. I trasduttori magnetostrictivi utilizzano materiali magnetostrictivi per generare o ricevere onde acustiche applicando o rilevando un campo magnetico sul materiale. I trasduttori magnetostrictivi hanno vantaggi rispetto ad altri tipi di trasduttori, come quelli piezoelettrici o elettroacustici, in termini di maggiore potenza di uscita, banda passante più ampia, minore distorsione e miglior impedenza di abbinamento.
