მაგნეტოსტრიქცია: მაღნის მასალების თვისება
მაგნეტოსტრიქცია განიხილება როგორც ზოგიერთი მაგნეტური მასალის თვისება, რომელიც იწვევს მათ ფორმის ან ზომების შეცვლას, როდესაც ისინი მაგნეტიზდებიან გარე მაგნეტური ველის მოქმედებით მაგნეტური ველი. მასალის ზომის ან სიგრძის ცვლილება მაგნეტოსტრიქციის შედეგად დამოკიდებულია გარე მიმართული მაგნეტური ველის ძალაზე და მიმართულებაზე, ასევე მაგნეტური ანიზოტროპიაზე და მასალის კრისტალურ სტრუქტურაზე.
მაგნეტოსტრიქცია გამოიყენება ელექტრომაგნეტური ენერგიის მექანიკურ ენერგიაში ან პირიქით გარდაქმნისთვის და არის მრავალი გამოყენების საფუძველი, როგორიცაა აქტუატორები, სენსორები, ტრანსდუქტორები, ტრანსფორმატორები, მოტორები და გენერატორები.
რა არის მაგნეტოსტრიქცია?
მაგნეტოსტრიქცია პირველად გამოიცნო ჯეიმს ჯულმა 1842 წელს, როდესაც ის დაინახა, რომ რკინის სათავე მცირედ გაიგრძელდა მის სიგრძეზე მაგნეტიზებისას და მცირედ შემცირდა მისი სიგანეზე მაგნეტიზებისას. ეს ფენომენი ცნობილია როგორც ჯულის ეფექტი და ის ხდება უმეტეს მაგნეტურ მასალებში და ზოგიერთ ფერიმაგნეტურ მასალაში (მასალებში, რომლებიც არიან მაგნეტიზებული ორი საპირისპირო მაგნეტური ქსელი).
მაგნეტოსტრიქციის ფიზიკური მექანიზმი დაკავშირებულია მაგნეტური მასალების შინაგან სტრუქტურას, რომელიც შედგება მიკროსკოპული რეგიონებისგან, რომლებს უწოდებენ დომენებს. თითოეულ დომენს აქვს ერთიანი მაგნეტიზაციის მიმართულება, რომელიც განისაზღვრება მაგნეტური ანიზოტროპიის ენერგიის (მასალის ტენდენციის) და მაგნეტოსტატიკური ენერგიის (მასალის ტენდენციის) შესაბამისად.
როდესაც გარე მაგნეტური ველი გამოიყენება მაგნეტურ მასალაზე, ის ხარხარის ძალას იძლევა დომენებზე, რაც იწვევს მათ როტაციას და მიმართულებაში გასწორებას ველის მიმართ. ეს პროცესი შედგება დომენების საზღვრების (დომენების სხვადასხვა მაგნეტიზაციის მიმართულებების შესაბამისად) მოძრაობაში და კრისტალური ქსელის (მასალაში ატომების დალაგება) დეფორმაციაში. შედეგად, მასალა ცვლის ფორმას ან ზომებს მისი მაგნეტოსტრიქციული დეფორმაციის შესაბამისად (სიგრძის ან მოცულობის ფრაქციული ცვლილება მაგნეტოსტრიქციის შედეგად).
მაგნეტოსტრიქციული დეფორმაცია დამოკიდებულია რამდენიმე ფაქტორზე, როგორიცაა:
გარე მაგნეტური ველის სიმძლავრე და მიმართულება
მასალის სამართლებადი მაგნეტიზაცია (შესაძლებელი მაქსიმალური მაგნეტიზაცია)
მასალის მაგნეტური ანიზოტროპია (გარკვეული მაგნეტიზაციის მიმართულებების პრეფერენცია)
მასალის მაგნეტოელასტიური კუპლინგი (მაგნეტიზაცია და ელასტური დეფორმაციის ურთიერთქმედება)
მასალის ტემპერატურა და სტრესის მდგომარეობა
მაგნეტოსტრიქციული დეფორმაცია შეიძლება იყოს დადებითი ან უარყოფითი, დამოკიდებული იმაზე, გარდაიქმნება თუ შემცირდება მასალა მაგნეტიზებისას. ზოგიერთი მასალა გამოიჩენს მაგნეტოსტრიქციული დეფორმაციის ნიშნის შეცვლას მაღალი მაგნეტური ველის მოქმედებისას, რითაც ცნობილია ვილარის რევერსი.
მაგნეტოსტრიქციული დეფორმაცია შეიძლება იზომოს სხვადასხვა მეთოდებით, როგორიცაა ოპტიკური ინტერფერომეტრი, დეფორმაციის სენსორები, პიეზოელექტრული ტრანსდუქტორები ან რეზონანსული ტექნიკები. მაგნეტოსტრიქციის სახელით ხელმისაწვდომი ყველაზე ხშირად გამოყენებული პარამეტრი არის მაგნეტოსტრიქციული კოეფიციენტი (ასევე ცნობილი როგორც ჯულის კოეფიციენტი), რომელიც განისაზღვრება შემდეგი განტოლებით:
λ=LΔL
სადაც ΔL არის მასალის სიგრძის ცვლილება მაგნეტიზების შედეგად ნულიდან სამართლებად მაგნეტიზაციამდე, ხოლო L არის მისი საწყისი სიგრძე.
მაგნეტოსტრიქციული მასალები
არსებობს ბევრი მასალა, რომელიც გამოიხატებს მაგნეტოსტრიქციას, მაგრამ ზოგიერთი მათგანი აქვს უფრო მაღალი მნიშვნელობები და უკეთ მახასიათებლები. ზოგიერთი მაგნეტოსტრიქციული მასალის მაგალითი არის:
რკინა: რკინა არის ერთ-ერთი ყველაზე ჩვეულებრივი და ფართოდ გამოყენებული მაგნეტოსტრიქციული მასალა, მისი მაღალი სამართლებადი მაგნეტიზაციისა და დაბალი ღირებულების გამო. თუმცა, რკინას აქვს ზოგიერთი უარყოფითი მხარე, როგორიცაა დაბალი მაგნეტოსტრიქციული კოეფიციენტი (დაახლოებით 20 ppm), მაღალი ჰისტერეზის აშკერავი (ენერგიის დახარჯვა მაგნეტიზაციის თითოეულ ციკლში) და მაღალი წრედის აშკერავი (ენერგიის დახარჯვა გამოწვეული ელექტრონული დენის გამო). რკინას აქვს დაბალი კურის ტემპერატურა (ტემპერატურა, რომელზედაც მასალა კარგავს ფერრომაგნეტურ თვისებებს), რაც შეზღუდავს მის გამოყენებას მაღალი ტემპერატურის აპლიკაციებში.
ნიკელი: ნიკელის მაგნეტოსტრიქციული კოეფიციენტი უფრო მაღალია რკინაზე (დაახლოებით 60 ppm), მაგრამ ასევე აქვს უფრო მაღალი ჰისტერეზის აშკერავი და წრედის აშკერავი. ნიკელის კურის ტემპერატურა დაბალია (დაახლოებით 360 °C) და ის არის დახარჯვის მიმართ დამცველი.
კობალტი: კობალტის მაგნეტოსტრიქციული კოეფიციენტი საშუალოა (დაახლოებით 30 ppm), მაგრამ აქვს მაღალი სამართლებადი მაგნეტიზაცია და მაღალი კურის ტემპერატურა (დაახლოებით 1120 °C). კობალტს აქვს დაბალი ჰისტერეზის აშკერავი და წრედის აშკერავი, რაც ხდის მას შესაბამის მაღალ-სიხშირის აპლიკაციებისთვის.
რკინა-ალუმინის ალიაგი (Alfer): ეს ალიაგი აქვს მაღალი მაგნეტოსტრიქციული კოეფიციენტი (დაახლოებით 100 ppm), მაღალი სამართლებადი მაგნეტიზაცია და მაღალი კურის ტემპერატურა (დაახლოებით 800 °C). ის ასევე აქვს დაბალი ჰისტერეზის აშკერავი და წრედის აშკერავი და კარგი მექანიკური თვისებები. თუმცა, ის არის რთული დამზადებისთვის და მოითხოვს სპეციალურ თერმიკ დამუშავებას.
რკინა-ნიკელის ალიაგი (Permalloy): ეს ალიაგი აქვს დაბალი მაგნეტოსტრიქციული კოეფიციენტი (დაახლოებით 1 ppm), მაგრამ ასევე აქვს მაღალი სამართლებადი მაგნეტიზაცია და მაღალი პერმეაბილიტეტი (მასალის შესაძლებლობა დახმარების შესაბამისი შინაგანი მაგნეტური ველი). ის ასევე აქვს დაბალი ჰისტერეზის აშკერავი და წრედის აშკერავი, რაც ხდის მას იდეალურს მაგნეტური დაფარვის და რეგისტრაც
