Magnetostrictie: Een Eigenschap van Magnetische Materialen
Magnetostrictie wordt gedefinieerd als de eigenschap van sommige magnetische materialen die ervoor zorgt dat ze van vorm of afmeting veranderen wanneer ze worden gemagnetiseerd door een externe magnetische veld. De verandering in grootte of lengte van een materiaal ten gevolge van magnetostrictie hangt af van de sterkte en richting van het toegepaste magnetische veld, evenals de magnetische anisotropie en kristalstructuur van het materiaal.
Magnetostrictie kan worden gebruikt om elektromagnetische energie om te zetten in mechanische energie, of vice versa, en is de basis voor veel toepassingen zoals actuatoren, sensoren, transductors, transformatoren, motoren en generatoren.
Wat is Magnetostrictie?
Magnetostrictie werd voor het eerst ontdekt door James Joule in 1842 toen hij observeerde dat een ijzeren staaf lichtjes uitzette wanneer deze langs zijn lengte werd gemagnetiseerd, en lichtjes inkromp wanneer deze over zijn breedte werd gemagnetiseerd. Dit fenomeen staat bekend als het effect van Joule, en komt voor in de meeste ferromagnetische materialen (materialen die kunnen worden gemagnetiseerd door een extern veld) en sommige ferrimagnetische materialen (materialen die twee tegengestelde magnetische substructuren hebben).
Het fysische mechanisme achter magnetostrictie is gerelateerd aan de interne structuur van magnetische materialen, die bestaat uit microscopische gebieden genaamd domeinen. Elk domein heeft een uniforme magnetisatie-richting, die bepaald wordt door de balans tussen de magnetische anisotropie-energie (de neiging van het materiaal om zijn magnetisatie langs bepaalde kristalrichtingen te aligneren) en de magnetostatische energie (de neiging van het materiaal om zijn magnetische polen te minimaliseren).
Wanneer een extern magnetisch veld wordt toegepast op een magnetisch materiaal, oefent het een koppel uit op de domeinen, waardoor ze roteren en zich met de veldrichting aligneren. Dit proces betreft de beweging van domeinwanden (de grenzen tussen domeinen met verschillende magnetisatie-richtingen) en de vervorming van de kristalrooster (de schikking van atomen in het materiaal). Als gevolg hiervan verandert het materiaal zijn vorm of afmetingen volgens zijn magnetostrictieve spanning (de fractionele verandering in lengte of volume ten gevolge van magnetostrictie).
De magnetostrictieve spanning hangt af van verschillende factoren, zoals:
De grootte en richting van het toegepaste magnetische veld
De verzadigingsmagnetisatie (de maximale mogelijke magnetisatie) van het materiaal
De magnetische anisotropie (de voorkeur voor bepaalde magnetisatie-richtingen) van het materiaal
De magneto-elastische koppeling (de interactie tussen magnetisatie en elastische spanning) van het materiaal
De temperatuur en spanningstoestand van het materiaal
De magnetostrictieve spanning kan positief of negatief zijn, afhankelijk van of het materiaal uitzet of samentrekt wanneer het gemagnetiseerd wordt. Sommige materialen vertonen een omkering in het teken van hun magnetostrictieve spanning bij blootstelling aan hoge magnetische velden, wat bekend staat als de omkering van Villari.
De magnetostrictieve spanning kan worden gemeten door verschillende methoden, zoals optische interferometrie, spanningsgauges, piezoelektrische transductors, of resonante technieken. De meest gebruikte parameter om magnetostrictie te karakteriseren is de magnetostrictiecoëfficiënt (ook wel coëfficiënt van Joule genoemd), die gedefinieerd wordt als:
λ=LΔL
waarbij ΔL de verandering in lengte van het materiaal is wanneer het van nul tot verzadiging wordt gemagnetiseerd, en L de initiële lengte is.
Magnetostrictieve Materialen
Er zijn veel materialen die magnetostrictie vertonen, maar sommige daarvan hebben hogere waarden en betere prestaties dan andere. Enkele voorbeelden van magnetostrictieve materialen zijn:
IJzer: IJzer is een van de meest voorkomende en breed gebruikte magnetostrictieve materialen, vanwege zijn hoge verzadigingsmagnetisatie en lage kosten. Echter, ijzer heeft ook enkele nadelen, zoals een lage magnetostrictiecoëfficiënt (ongeveer 20 ppm), hoge hystereseverlies (de energie die tijdens elke cyclus van magnetisatie wordt gedissipeerd), en hoge eddy stromingsverlies (de energie die wordt gedissipeerd door geïnduceerde stromen in geleidende materialen in het materiaal). IJzer heeft ook een lage Curie-temperatuur (de temperatuur boven dewelke een materiaal zijn ferromagnetische eigenschappen verliest), wat zijn toepassing in hoge-temperatuurtoepassingen beperkt.
Nikkel: Nikkel heeft een hogere magnetostrictiecoëfficiënt dan ijzer (ongeveer 60 ppm), maar ook een hoger hystereseverlies en eddy-stromingsverlies. Nikkel heeft ook een lage Curie-temperatuur (ongeveer 360 °C) en is vatbaar voor corrosie.
Kobalt: Kobalt heeft een matige magnetostrictiecoëfficiënt (ongeveer 30 ppm), maar een hoge verzadigingsmagnetisatie en een hoge Curie-temperatuur (ongeveer 1120 °C). Kobalt heeft ook een laag hysterese- en eddy-stromingsverlies, waardoor het geschikt is voor toepassingen met hoge frequentie.
IJzer-Aluminium Legering (Alfer): Deze legering heeft een hoge magnetostrictiecoëfficiënt (ongeveer 100 ppm), een hoge verzadigingsmagnetisatie, en een hoge Curie-temperatuur (ongeveer 800 °C). Het heeft ook een laag hysterese- en eddy-stromingsverlies, en goede mechanische eigenschappen. Echter, het is moeilijk te fabriceren en vereist speciale warmtebehandeling.
IJzer-Nikkel Le
