Magnetiskā deformācija: Magnētisko materiālu īpašība
Magnetostrīcija definēta kā dažu magnētisku materiālu īpašība, kas izraisa to formu vai dimensiju maiņu, kad tie tiek magnetizēti ar ārējo magnētisko lauku. Materiāla izmēru vai garuma maiņa, kas notiek dēļ magnetostrīcijas, atkarīga no piemērotā magnētiskā lauka stipruma un virziena, kā arī no materiāla magnētiskā anizotropijas un kristāliskās struktūras.
Magnetostrīciju var izmantot, lai pārvērstu elektromagnētisko enerģiju mehāniskā enerģijā, un otrādi, un tā ir daudzu lietojumu pamats, piemēram, aktuatori, sensori, transdūceri, transformatori, dzinēji un ģeneratori.
Kas ir magnetostrīcija?
Magnetostrīciju pirmo reizi atklāja Džeimss Džauls 1842. gadā, kad viņš novēroja, ka dzelzs šķēle nedaudz pagarinājās, kad tika magnetizēta pa garumu, un saīsinājās, kad tika magnetizēta pa platumu. Šis parādības pazīstams kā Džaula efekts, un tas notiek vairumā ferromagnētiskajos materiālos (materiāli, kas var tikt magnetizēti ar ārējo lauku) un dažos ferrimagmetiskajos materiālos (materiāli, kas ir diviem pretējiem magnētiskajiem subrețežiem).
Magnetostrīcijas fiziskais mehānisms saistīts ar magnētisku materiālu iekšējo struktūru, kas sastāv no mikroskopiskiem apgabaliem, ko sauc par domēniem. Katriem domēnam ir vienmērīgs magnetizācijas virziens, kas nosaka savstarpējo līdzsvaru starp magnētisko anizotropijas enerģiju (materiāla tendence orientēt savu magnetizāciju noteiktās kristāliskās virzienos) un magnetostatisko enerģiju (materiāla tendence samazināt savus magnētiskos polus).
Ja pie magnētiskā materiāla piemēro ārējo magnētisko lauku, tas izdarīs momentu uz domēniem, izraisot to rotāciju un savirzību lauka virzienā. Šis process ietver domēnu sānu (domēnu robežas ar dažādiem magnetizācijas virzieniem) kustību un kristāliskā gredzena deformāciju (materiāla atomu sakārtojums). Tā rezultātā materiāls maina savu formu vai dimensijas atbilstoši tam, kā magnetostrīcijas deformācijai (frakcionālā garuma vai tilpuma izmaiņa dēļ magnetostrīcijas).
Magnetostrīcijas deformācija atkarīga no vairākiem faktoriem, piemēram:
Piemērotā magnētiskā lauka lielums un virziens
Materiāla saturošanās magnetizācija (maksimāli iespējamā magnetizācija)
Materiāla magnētiskā anizotropija (preferētie magnetizācijas virzieni)
Materiāla magnetoelastiskā savietojuma (interakcija starp magnetizāciju un elastiskās deformācijas)
Materiāla temperatūra un sprieguma stāvoklis
Magnetostrīcijas deformācija var būt pozitīva vai negatīva, atkarībā no tā, vai materiāls izplešas vai saīsinās, kad tiek magnetizēts. Daži materiāli rāda magnetostrīcijas deformācijas zīmes maiņu, kad tiek izpostīti augstiem magnētiskajiem laukiem, ko sauc par Villari inversiju.
Magnetostrīcijas deformāciju var mērīt ar dažādām metodēm, piemēram, optiskā interferometrija, deformācijas gaismas, piezoelektriskie transdūceri vai rezonanses tehnikas. Visbiežāk izmantotais parametrs, ar kuru raksturo magnetostrīciju, ir magnetostrīcijas koeficients (arī saukts par Džaula koeficientu), kas definēts kā:
λ=LΔL
kur ΔL ir materiāla garuma izmaiņa, kad tas tiek magnetizēts no nulles līdz satura punktam, un L ir tā sākotnējais garums.
Magnetostrīcijas materiāli
Ir daudz materiālu, kas rāda magnetostrīciju, bet daži no tiem ir augstākas vērtības un labāka veiktspēja nekā citi. Daži magnetostrīcijas materiālu piemēri ir:
Dzelzs: Dzelzs ir viens no visizplatītākajiem un plašāk izmantotajiem magnetostrīcijas materiāliem, tāpēc, ka tam ir augsta saturošanās magnetizācija un zema cena. Tomēr, dzelzs arī ir ar dažām trūkumiem, piemēram, zemam magnetostrīcijas koeficientam (aptuveni 20 ppm), augstu histereze zudumu (enerģija, kas izmestā katrā magnetizācijas ciklā) un augstu inducēto strāvas zudumu (enerģija, kas izmesta dēļ inducētām strāvām konduktīvos materiālos). Dzelzs arī ir ar zemu Curie temperatūru (temperatūra, pārsniedzot kuru materiāls zaudē savas feromagnētiskās īpašības), kas ierobežo tā lietošanu augstām temperatūrām.
Nikels: Nikela magnetostrīcijas koeficients ir augstāks nekā dzelza (aptuveni 60 ppm), bet arī augsts histereze zudums un inducēto strāvu zudums. Nikels arī ir ar zemu Curie temperatūru (aptuveni 360 °C) un ir ciešanas ieņemšanas priekšstats.
Kobalts: Kobalta magnetostrīcijas koeficients ir vidējs (aptuveni 30 ppm), bet tā saturošanās magnetizācija un Curie temperatūra (aptuveni 1120 °C) ir augstas. Kobalts arī ir ar zemu histereze zudumu un inducēto strāvu zudumu, kas padara to piemērotu augstfrekvences lietojumiem.
Dzelzs-alumīnija ligzda (Alfer): Šī ligzda ir ar augstu magnetostrīcijas koeficientu (aptuveni 100 ppm), augstu saturošanās magnetizāciju un augstu Curie temperatūru (aptuveni 800 °C). Tā arī ir ar zemu histereze zudumu un inducēto strāvu zudumu, un labām
