Magnetostrizzjoni: Proprietà ta' Materiali Magneżji
Il-magnetostrizzjoni hija definita bħala l-proprjetà ta' ċertu materjali magneżiċi li jgħamluhom jibdulu s-silġ tagħhom jew id-dimensjonijiet meta jiġu magnetizzati minn kamp magneżiku estern. Il-bidlu fis-silġ jew fid-duluri tal-materjal minħabba l-magnetostrizzjoni hu dipendenti mill-forza u l-direzzjoni tal-kamp magneżiku applikat, kif ukoll mill-anisotropija magneżika u s-struttura kristallina tal-materjal.
Il-magnetostrizzjoni tista' tuża biex tikkonverti l-enerġija elettromagnetika għal enerġija mekanika, jew vice versa, u hija il-bażis għal ħafna applikazzjonijiet kif ikollok aktuatori, sensori, transduttori, transformaturi, motori, u ġeneraturi.
X’hi l-Magnetostrizzjoni?
Il-magnetostrizzjoni infurthiwa l-ewwel minn James Joule fl-1842 meta rileva li barra tal-ħadid iktassart qisqarment meta tmagnetizza lungiha, u inqas qisqarment meta tmagnetizza travershalha. Din l-avveniment hija magħrufa bħala l-effett ta' Joule, u tiġi fil-mosta materjali ferromagneżiċi (materjali li jistgħu jiġu magnetizzati minn kamp estern) u xi materjali ferrimagneżiċi (materjali li għandhom żewġ sottoreti magneżiċi kontrari).
Il-mekanizmu fiżiku taħt il-magnetostrizzjoni hu relazjonat mal-għamila interna tal-materjali magneżiċi, li tkun mifletta ta' reġjunijiet mikroskopici magħrufa bħala domini. Kull dominu għandu direzzjoni uniformi ta' magnetizzazzjoni, li hi determinata mill-equilibbru bejn l-enerġija tal-anisotropija magneżika (ilt-tendenza tal-materjal biex jaġġusta l-magnetizzazzjoni f'direzzjonijiet kristallini spesifik) u l-enerġija tal-magnetostatika (ilt-tendenza tal-materjal biex iminimu l-polji magneżiċi tiegħu).
Meta kamp magneżiku estern jiġi applikat fuq materjal magneżiċi, jagħmel torsjoni fuq id-dominji, biex jidirizzaw u jwasslu mal-direzzjoni tal-kamp. Dan il-proċess involvja l-moviment tas-silġ tal-domini (il-limiti bejn id-dominji blu differenti ta' magnetizzazzjoni) u d-deformazzjoni tal-grill kristallin (ildispożizzjoni tal-atomiji fil-materjal). Bil-risultat, il-materjal jibdel is-silġ jew id-dimensjonijiet skond il-magnetostrizzjoni (il-bidlu frizzjonali fis-silġ jew fid-volum minħabba l-magnetostrizzjoni).
Il-magnetostrizzjoni dependi minn ħafna fatturi, kif ikollok:
Il-magnitudi u d-direzzjoni tal-kamp magneżiku applikat
Il-magnetizzazzjoni ta' saturazzjoni (il-magnetizzazzjoni massima possibbli) tal-materjal
L-anisotropija magneżika (l-preferenza għal direzzjonijiet speċifiċi ta' magnetizzazzjoni) tal-materjal
Il-koppjatura magnetoelastika (l-interazzjoni bejn il-magnetizzazzjoni u l-strain elastiku) tal-materjal
It-temperatura u l-stress stat tal-materjal
Il-strain tal-magnetostrizzjoni jista' jkun pożittiv jew negattiv, skont kemm il-materjal jispandu jew jinqas sew issa' ma tmagnetizza. Xi materjali jipperċepixxu rivoluzzjoni fis-semi tal-strain tagħhom tal-magnetostrizzjoni meta jiġu esposti għal kammi magneżiċi alti, li hija magħrufa bħala revoluzzjoni ta' Villari.
Il-strain tal-magnetostrizzjoni jista' jiġi misjur permezz ta' diversi metodi, kif ikollok l-interferometru ottiku, gauge tal-strain, transduttori piezoelettriki, jew tekniki resonanti. Il-parametru komuni li jgħadil għal karatterizzazzjoni tal-magnetostrizzjoni hu l-koeffiċjent tal-magnetostrizzjoni (anki magħruf bħala koeffiċjent ta' Joule), li hu definit bħala:
λ=LΔL
fejn ΔL hu l-bidlu fis-silġ tal-materjal meta jiġi magnetizzat minn zero sa saturazzjoni, u L hu s-silġ inizjali tiegħu.
Materjali Magnetostrittivi
Hemm ħafna materjali li jipperċepixxu l-magnetostrizzjoni, iżda xi minnhom għandhom valuri akbar u prestazzjonijiet aħjar minn oħrajn. Xi eżempji ta' materjali magnetostrittivi huma:
Ħadid: Il-ħadid huwa waħed mill-materjali magnetostrittivi akbar u amministrati l-aħjar, għal effett ta' saturazzjoni magneżika għoli u kos ta' bass. Isemma, il-ħadid għandu wkoll disavvantaggi, kif ikollok koeffiċjent ta' magnetostrizzjoni baż (ħafiż 20 ppm), hysteresis loss (l-enerġija dissipata fit-tmexxija ta' kikka ta' magnetizzazzjoni) għoli, u eddy current loss (l-enerġija dissipata minħabba l-kurrenti indotti fil-materjal) għoli. Il-ħadid għandu ukoll temperatur ta' Curie baż (il-temperatura fuq lil hena il-materjal jiġbor l-ferrimagneżiċi properties tiegħu), li tilimita l-użu tiegħu f'applikazzjonijiet bil-temperatura għoli.
Nikel: Il-nikel għandu koeffiċjent ta' magnetostrizzjoni akbar mill-ħadid (ħafiż 60 ppm), iżda wkoll hysteresis loss u eddy current loss akbar. Il-nikel għandu ukoll temperatur ta' Curie baż (ħafiż 360 °C) u hu propenz li jiġi korrottat.
Kobolt: Il-kobolt għandu koeffiċjent ta' magnetostrizzjoni moderat (ħafiż 30 ppm), iżda saturazzjoni magneżika għoli u temperatur ta' Curie għoli (ħafiż 1120 °C). Il-kobolt għandu ukoll hysteresis loss u eddy current loss bass, li jgħaqqdu sabiex hu adattat għal applikazzjonijiet ta' frequenza għoli.
Ħaljad-Alumini (Alfer): Dan l-alloy għandu koeffiċjent ta' magnetostrizzjoni għoli (ħafiż 100 ppm), saturazzjoni magneżika għoli, u temperatur ta' Curie għoli (ħafiż 800 °C). Hu ukoll għandu hysteresis loss u eddy current loss bass, u proprietajiet mekanika tajjeb. Isemma, hu diffiċli li jingħata u jirequire trattament termiku speċjali.
Ħaljad-Nikel (Permalloy): Dan l-alloy għandu koeffiċjent ta' magnetostrizzjoni bass (ħafiż 1 ppm), iżda saturazzjoni magneżika għoli u permeabilità għoli (l-abbilità tal-materjal biex isupporta l-kamp magneżiku intern). Hu ukoll għandu hysteresis loss u eddy current loss bass, li jgħaqqdu sabiex hu ideali għal shielding magneżiku u applikazzjonijiet ta' rekord.
Kobolt-Nikel: Dan l-alloy għandu koeffiċjent ta' magnetostrizzjoni moderat (ħafiż 20 ppm), iżda saturazzjoni magneżika għoli u temperatur ta' Curie għoli (ħafiż 950 °C). Hu ukoll għandu hysteresis loss u eddy current loss bass, u resistanza għal korruzzjoni tajjeb.
Ħaljad-Kobolt: Dan l-alloy għandu koeffiċjent ta' magnetostrizzjoni moderat (ħafiż 30 ppm), iżda saturazzjoni magneżika għoli u temperatur ta' Curie għoli (ħafiż 980 °C). Hu ukoll għandu hysteresis loss u eddy current loss bass, u proprietajiet mekanika tajjeb.
Kobolt-Ħaljad-Vanadiju (Permendur): Dan l-alloy għandu koeffiċjent ta' magnetostrizzjoni bass (ħafiż 5 ppm), iżda saturazzjoni magneżika għoli u temperatur ta' Curie għoli (ħafiż 1400 °C). Hu ukoll għandu hysteresis loss u eddy current loss bass, li jgħaqqdu sabiex hu adattat għal applikazzjonijiet ta' potenza għoli.
Ferriti: Il-ferriti huma materjali keramiċi miftuħa minn ossidi ta' ħadid u ossidi ta' metal oħra, kif ikollok ossidu ta' kobolt jew nikel. Għandhom koeffiċjenti ta' magnetostrizzjoni bass (infequ 10 ppm), iżda saturazzjoni magneżika bass u permeabilità bass. Għandhom ukoll hysteresis loss u eddy current loss bass, li jgħaqqdu sabiex huma ideali għal applikazzjonijiet ta' frequenza għoli. Għandhom ukoll temperatur ta' Curie għoli (fuq 400 °C) u resistanza għal korruzzjoni tajjeb.
Terra Rara: It-terra rara huma elementi b'numri atomi miġburija mill-57 sa l-71, kif ikollok lanthanu, ceriu, neodimi, samariu, gadoliniu, terbiu, disprosiu, holmiu, erbium, tulium, itterbiu, jew luteciu. Għandhom koeffiċjenti ta' magnetostrizzjoni għoli (fis-silġ ta' 1000 ppm), iżda ukoll hysteresis loss u eddy current loss għoli. Għandhom saturazzjoni magneżika u permeabilità moderati, iżda temperatur ta' Curie bass (taħt 300 °C). Huma sovent użati fl-kombinazzjoni mal-metal oħra jew kunpundijiet biex ifformaw alloy jew intermetallics b'proprietajiet aħjar.
Terfenol-D: Il-Terfenol-D hu intermetallic kunpund miftuħ minn terbiu, ħaljad, u disprosiu. Għandu l-koeffiċjent ta' magnetostrizzjoni akbar marbut magħruf (ħafiż 2000 ppm), li jridu li jipperċepixxu strains akbar meta jiġu magnetizzati. Għandu ukoll saturazzjoni magneżika għoli u temperatur ta' Curie għoli (ħafiż 380 °C). Isemma, għandu ukoll hysteresis loss u eddy current loss għoli, li tilimita l-effiċjenza u l-frequenza tiegħu. Irrequejring ukoll kamp magneżiku għoli (ħafiż 800 kA/m) biex irraggiunga l-strain massimu, li jiżdied l-konsum tal-enerġija u l-kost.
Galfenol: Il-Galfenol hu alloy ta' ħaljad u gallju, b'kompozizzjoni ta' ħafiż Fe81Ga19. Għandu koeffiċjent ta' magnetostrizzjoni moderat (ħafiż 250 ppm), iżda hysteresis loss u eddy current loss bass, li jgħaqqdu sabiex hu aktar effiċjenti u duraturi minn Terfenol-D. Għandu ukoll saturazzjoni magneżika għoli u temperatur ta' Curie għoli (ħafiż 700 °C). Jista' jooperagħa b'kammi magneżiċi bass (ħafiż 100 kA/m) u frequenzi għoli (sa 10 kHz).
Metglas: Il-Metglas hu glass metal miftuħ minn ħaljad, boron, silicju, u elementi oħra. Għandu koeffiċjent ta' magnetostrizzjoni bass (ħafiż 20 ppm), iżda saturazzjoni magneżika għoli u permeabilità għoli. Għandu ukoll hysteresis loss u eddy current loss bass, li jgħaqqdu sabiex hu ideali għal shielding magneżiku u applikazzjonijiet ta' konverżjoni tal-enerġija.
Applikazzjonijiet tal-Magnetostrizzjoni
Il-magnetostrizzjoni għandha ħafna applikazzjonijiet f'varj setturi, kif ikollok:
