Магнетострикција: Својство на магнетните материјали
Магнетострикцијата е дефинирана како својство на некои магнетни материјали што ги прави да се менуваат нивните облици или димензии кога се намагнетени со надворешно магнетно поле. Промената во големина или должина на материјалот поради магнетострикција зависи од силата и правецот на применетото магнетно поле, како и од магнетната анизотропија и кристалната структура на материјалот.
Магнетострикцијата може да се користи за превртување на електромагнетна енергија во механичка енергија, или обратно, и е основа за многу применби како актуетори, сензори, трансдуктери, трансформатори, мотори и генератори.
Што е Магнетострикција?
Магнетострикцијата беше првично откриена од Џејмс Џоул во 1842 година, кога тој ја забележа дека жалезната цев се проширувала лесно кога била намагнетена по должината, и се скратувала лесно кога била намагнетена по широчина. Овој феномен е познат како Џоулов ефект, и се јавува во повеќето феромагнетни материјали (материјали кои можат да се намагнетат со надворешно поле) и некои феримагнетни материјали (материјали кои имаат две спротивни магнетни подмрежја).
Физичкиот механизам зад магнетострикцијата е поврзан со внатрешната структура на магнетните материјали, која се состои од микроскопски региони наречени домени. Секој домен има униформна намагнетена насока, која е одредена од равновесието помеѓу магнетната анизотропна енергија (тенденцијата на материјалот да поравнува неговата намагнетеност со одредени кристални насоки) и магнестатичката енергија (тенденцијата на материјалот да минимизира неговите магнетни полюси).
Кога се применува надворешно магнетно поле на магнетен материјал, тоа извршува момент на домените, ги прави да се ротираат и да се поравнуваат со насоката на полето. Овој процес вклучува движење на доменски зидови (границите помеѓу домени со различни намагнетени насоки) и деформација на кристалната мрежа (расположбата на атоми во материјалот). Како резултат, материјалот менува неговиот облик или димензии според неговата магнетостриктиски деформација (фракционата промена во должина или волумен поради магнетострикција).
Магнетостриктиската деформација зависи од неколку фактори, како:
Величината и правецот на применетото магнетно поле
Ситуацијата на намагнетеност (максималната можно намагнетеност) на материјалот
Магнетната анизотропија (предноста за одредени намагнетени насоки) на материјалот
Магнетоеластичката поврзаност (интеракцијата помеѓу намагнетеност и еластична деформација) на материјалот
Температурата и стањето на напрегнување на материјалот
Магнетостриктиската деформација може да биде позитивна или негативна, во зависност од тоа дали материјалот се проширува или скратува кога е намагнетен. Некои материјали покажуваат превртување на знакот на нивната магнетостриктиска деформација кога се изложени на високи магнетни полиња, што е познато како Вилариев преврт.
Магнетостриктиската деформација може да се измери со различни методи, како оптички интерферометрија, дебеломери на деформација, пиезоелектрични трансдуктери, или резонантни техники. Најобичниот параметар користен за карактеризација на магнетострикцијата е магнетостриктискиот коефициент (така исто така наречен Џоулов коефициент), кој е дефиниран како:
λ=LΔL
каде ΔL е промената во должина на материјалот кога е намагнетен од нула до сатурација, а L е неговата почетна должина.
Магнетостриктиски Материјали
Постојат многу материјали кои покажуваат магнетострикција, но некои од нив имаат поголеми вредности и подобро функционирање од други. Некои примери на магнетостриктиски материјали се:
Железо: Железото е еден од најчестите и широко користени магнетостриктиски материјали, поради неговата висока намагнетена сатурација и ниска цена. Меѓутоа, железото исто така има некои недостатоци, како што е нискиот магнетостриктиски коефициент (околу 20 ppm), висока хистерезисна загуба (енергијата дисипирана при секој циклус на намагнетување), и висока индуктивна струја (енергијата дисипирана поради индуцирани струи во проводливите материјали во материјалот). Железото исто така има ниска Курисова температура (температура над која материјалот губи неговите феромагнетни својства), што ограничува неговата употреба во применби со високи температури.
Никел: Никелот има поголем магнетостриктиски коефициент од железото (околу 60 ppm), но исто така и поголема хистерезисна загуба и индуктивна струја. Никелот исто така има ниска Курисова температура (околу 360 °C) и е подлабок на корозија.
Кобалт: Кобалтот има среден магнетостриктиски коефициент (околу 30 ppm), но висока намагнетена сатурација и висока Курисова температура (околу 1120 °C). Кобалтот исто така има ниска хистерезисна загуба и индуктивна струја, што го прави прифатлив за применби со висока фреквенција.
Железо-Алуминиум Легура (Алфер): Оваа легура има висок магнетостриктиски коефициент (околу 100 ppm), висока намагнетена сатурација, и висока Курисова температура (околу 800 °C). Тоа исто така има ниска хистерезисна загуба и индуктивна струја, и добри механички својства. Меѓутоа, е тешко да се производи и бара специјална термичка третмана.
Железо-Никел Легура (Пермалој): Оваа легура има ниски магнетостриктиски коефициент (околу 1 ppm), но висока намагнетена сатурација и висока пермеабилитет (способноста на материјалот да поддржува внатрешно магнетно поле). Тоа исто така има ниска хистерезисна загуба и индуктивна струја, што го прави идеален за магнетна штитна и записна применби.
Кобалт-Никел Легура: Оваа легура има среден магнетостриктиски коефициент (околу 20 ppm), но висока намагнетена сатурација и висока Курисова температура (околу 950 °C). Тоа исто така има ниска хистерезисна загуба и индуктивна струја, и добра корозија отпорност.
Железо-Кобалт Легура: Оваа легура има среден магнетостриктиски коефициент (околу 30 ppm), но врло висока намагнетена сатурација и висока Курисова температура (околу 980 °C). Тоа исто така има ниска хистерезисна загуба и индуктивна струја, и добри механички својства.
Кобалт-Железо-Ванадиум Легура (Пермендур): Оваа легура има ниски магнетостриктиски коефициент (околу 5 ppm), но врло висока намагнетена сатурација и врло висока Курисова температура (околу 1400 °C). Тоа исто така има ниска хистерезисна загуба и индуктивна струја, што го прави прифатлив за применби со висока моќ.
Ферити: Феритите се керамички материјали состојат од железни оксиди и други метални оксиди, како што се кобалтов оксид или никелов оксид. Тие имаат нис
