Magnetostriction: Sifat Bahan Magnetik

Magnetostriction ditakrifkan sebagai sifat beberapa bahan magnetik yang menyebabkan mereka berubah bentuk atau dimensi apabila diterangkan oleh medan magnet luar. Perubahan saiz atau panjang bahan disebabkan oleh magnetostriction bergantung pada kekuatan dan arah medan magnet yang diaplikasikan, serta anisotropi magnetik dan struktur kristal bahan tersebut.

Magnetostriction boleh digunakan untuk menukar tenaga elektromagnetik kepada tenaga mekanikal, atau sebaliknya, dan merupakan asas bagi banyak aplikasi seperti aktuator, sensor, transduser, transformer, motor, dan penjana.

Apakah Magnetostriction?

Magnetostriction pertama kali ditemui oleh James Joule pada tahun 1842 apabila dia memperhatikan bahawa batang besi bertambah panjang sedikit apabila diterangkan sepanjang panjangnya, dan berkurangan sedikit apabila diterangkan melintang lebarnya. Fenomena ini dikenali sebagai kesan Joule, dan ia berlaku dalam kebanyakan bahan feromagnetik (bahan yang boleh diterangkan oleh medan luar) dan beberapa bahan ferrimagnetik (bahan yang mempunyai dua sublattice magnetik yang bertentangan).

Mekanisme fizikal di sebalik magnetostriction berkaitan dengan struktur dalaman bahan magnetik, yang terdiri daripada kawasan mikroskopik yang dipanggil domain. Setiap domain mempunyai arah penerangan seragam, yang ditentukan oleh keseimbangan antara tenaga anisotropi magnetik (tendensi bahan untuk mengatur penerangannya sepanjang arah kristal tertentu) dan tenaga magnetostatik (tendensi bahan untuk mengurangkan kutub magnetnya).

Apabila medan magnet luar diterapkan pada bahan magnetik, ia memberi tork pada domain, menyebabkan mereka berputar dan mengatur sejajar dengan arah medan. Proses ini melibatkan pergerakan dinding domain (batas antara domain dengan arah penerangan yang berbeza) dan deformasi rangka kristal (susunan atom dalam bahan). Akibatnya, bahan tersebut berubah bentuk atau dimensinya mengikut tensil magnetostrictif (perubahan pecahan dalam panjang atau isipadu disebabkan oleh magnetostriction).

Tensil magnetostrictif bergantung pada beberapa faktor, seperti:

• Kekuatan dan arah medan magnet yang diterapkan

• Penerangan jemu (penerangan maksimum yang mungkin) bahan tersebut

• Anisotropi magnetik (preferensi untuk arah penerangan tertentu) bahan tersebut

• Kopling magnetoelastik (interaksi antara penerangan dan tensil elastik) bahan tersebut

• Suhu dan keadaan tekanan bahan tersebut

Tensil magnetostrictif boleh positif atau negatif, bergantung pada sama ada bahan tersebut meregang atau merosot apabila diterangkan. Sesetengah bahan menunjukkan perubahan tanda tensil magnetostrictif apabila terdedah kepada medan magnet yang tinggi, yang dikenali sebagai pembalikan Villari.

Tensil magnetostrictif boleh diukur dengan pelbagai kaedah, seperti interferometri optik, strain gauge, transduser piezoelektrik, atau teknik resonan. Parameter paling biasa digunakan untuk menandakan magnetostriction adalah pekali magnetostriction (juga dipanggil pekali Joule), yang ditakrifkan sebagai:

λ=LΔL

di mana ΔL adalah perubahan panjang bahan apabila diterangkan dari sifar hingga jemu, dan L adalah panjang awalnya.

Bahan Magnetostrictif

Terdapat banyak bahan yang menunjukkan magnetostriction, tetapi sesetengah daripadanya mempunyai nilai yang lebih tinggi dan prestasi yang lebih baik daripada yang lain. Beberapa contoh bahan magnetostrictif adalah:

• Besi: Besi adalah salah satu bahan magnetostrictif yang paling biasa dan luas digunakan, kerana mempunyai penerangan jemu yang tinggi dan kos yang rendah. Walau bagaimanapun, besi juga mempunyai beberapa kelemahan, seperti pekali magnetostriction yang rendah (sekitar 20 ppm), hilang histeresis (tenaga yang hilang semasa setiap siklus penerangan) yang tinggi, dan hilang eddy arus (tenaga yang hilang disebabkan oleh arus yang diinduksi dalam bahan konduktif). Besi juga mempunyai suhu Curie yang rendah (suhu di atas mana bahan kehilangan sifat feromagnetiknya), yang menghadkan penggunaannya dalam aplikasi suhu tinggi.

• Nikel: Nikel mempunyai pekali magnetostriction yang lebih tinggi daripada besi (sekitar 60 ppm), tetapi juga hilang histeresis dan hilang eddy arus yang lebih tinggi. Nikel juga mempunyai suhu Curie yang rendah (sekitar 360 °C) dan mudah korosi.

• Kobalt: Kobalt mempunyai pekali magnetostriction yang sederhana (sekitar 30 ppm), tetapi penerangan jemu yang tinggi dan suhu Curie yang tinggi (sekitar 1120 °C). Kobalt juga mempunyai hilang histeresis dan hilang eddy arus yang rendah, menjadikannya sesuai untuk aplikasi frekuensi tinggi.

• Alloy Besi-Aluminium (Alfer): Alloy ini mempunyai pekali magnetostriction yang tinggi (sekitar 100 ppm), penerangan jemu yang tinggi, dan suhu Curie yang tinggi (sekitar 800 °C). Ia juga mempunyai hilang histeresis dan hilang eddy arus yang rendah, dan sifat mekanikal yang baik. Walau bagaimanapun, ia sukar dibuat dan memerlukan perlakuan haba khas.

• Alloy Besi-Nikel (Permalloy): Alloy ini mempunyai pekali magnetostriction yang rendah (sekitar 1 ppm), tetapi penerangan jemu yang tinggi dan permeabiliti (keupayaan bahan untuk menyokong medan magnet dalaman) yang tinggi. Ia juga mempunyai hilang histeresis dan hilang eddy arus yang rendah, menjadikannya ideal untuk penyekat magnetik dan aplikasi rakaman.

• Alloy Kobalt-Nikel: Alloy ini mempunyai pekali magnetostriction yang sederhana (sekitar 20 ppm), tetapi penerangan jemu yang tinggi dan suhu Curie yang tinggi (sekitar 950 °C). Ia juga mempunyai hilang histeresis dan hilang eddy arus yang rendah, dan ketahanan korosi yang baik.

• Alloy Besi-Kobalt: Alloy ini mempunyai pekali magnetostriction yang sederhana (sekitar 30 ppm), tetapi penerangan jemu yang sangat tinggi dan suhu Curie yang tinggi (sekitar 980 °C). Ia juga mempunyai hilang histeresis dan hilang eddy arus yang rendah, dan sifat mekanikal yang baik.

• Alloy Kobalt-Besi-Vanadium (Permendur): Alloy ini mempunyai pekali magnetostriction yang rendah (sekitar 5 ppm), tetapi penerangan jemu yang sangat tinggi dan suhu Curie yang sangat tinggi (sekitar 1400 °C). Ia juga mempunyai hilang histeresis dan hilang eddy arus yang rendah, menjadikannya sesuai untuk aplikasi kuasa tinggi.

• Ferrit: Ferrit adalah bahan seramik yang terdiri daripada oksida besi dan oksida logam lain, seperti oksida kobalt atau oksida nikel. Mereka mempunyai pekali magnetostriction yang rendah (kurang daripada 10 ppm), tetapi juga penerangan jemu dan permeabiliti yang rendah. Mereka mempunyai hilang histeresis dan hilang eddy arus yang sangat rendah, menjadikannya ideal untuk aplikasi frekuensi tinggi. Mereka juga mempunyai suhu Curie yang tinggi (di atas 400 °C) dan ketahanan korosi yang baik.

• Tanah Jarang: Tanah jarang adalah unsur dengan nombor atom dari 57 hingga 71, seperti lanthanum, cerium, neodymium, samarium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium atau lutetium. Mereka mempunyai pekali magnetostriction yang sangat tinggi (hingga 1000 ppm), tetapi juga hilang histeresis dan hilang eddy arus yang sangat tinggi. Mereka mempunyai penerangan jemu dan permeabiliti yang sederhana, tetapi suhu Curie yang rendah (di bawah 300 °C). Mereka sering digunakan bersama dengan logam atau senyawa lain untuk membentuk alloy atau intermetalik dengan sifat yang lebih baik.

• Terfenol-D: Terfenol-D adalah senyawa intermetalik yang terdiri daripada terbium, besi, dan dysprosium. Ia mempunyai pekali magnetostriction yang paling tinggi yang pernah direkod (sekitar 2000 ppm), yang bermaksud ia boleh menghasilkan tegangan yang sangat besar apabila diterangkan. Ia juga mempunyai penerangan jemu yang tinggi dan suhu Curie yang tinggi (sekitar 380 °C). Walau bagaimanapun, ia juga mempunyai hilang histeresis dan hilang eddy arus yang sangat tinggi, yang menghadkan efisiensinya dan julat frekuensi. Ia juga memerlukan medan magnet yang tinggi (sekitar 800 kA/m) untuk mencapai tegangan maksimum, yang meningkatkan penggunaan kuasa dan kosnya.

• Galfenol: Galfenol adalah alloy besi dan galium, dengan komposisi sekitar Fe81Ga19. Ia mempunyai pekali magnetostriction yang sederhana (sekitar 250 ppm), tetapi hilang histeresis dan hilang eddy arus yang sangat rendah, yang menjadikannya lebih efisien dan tahan lama daripada Terfenol-D. Ia juga mempunyai penerangan jemu yang tinggi dan suhu Curie yang tinggi (sekitar 700 °C). Ia boleh beroperasi pada medan magnet yang rendah (sekitar 100 kA/m) dan frekuensi yang tinggi (hingga 10 kHz).

• Metglas: Metglas adalah kaca logam yang terdiri daripada besi, boron, silikon, dan unsur-unsur lain. Ia mempunyai pekali magnetostriction yang rendah (sekitar 20 ppm), tetapi penerangan jemu dan permeabiliti yang sangat tinggi. Ia juga mempunyai hilang histeresis dan hilang eddy arus yang sangat rendah, menjadikannya ideal untuk penyekat magnetik dan aplikasi pemindahan kuasa.