Magnetostriktivitet: En egenskap ved magnetiske materialer
Magnetostrikk er definert som egenskapen til noen magnetiske materialer som forårsaker endringer i form eller dimensjoner når de magnetiseres av en ekstern magnetisk felt. Endringen i størrelse eller lengde av et materiale på grunn av magnetostrikk avhenger av styrken og retningen på det påførte magnetiske feltet, samt det magnetiske anisotropi og kristallstrukturen av materialet.
Magnetostrikk kan brukes til å konvertere elektromagnetisk energi til mekanisk energi, eller motsatt, og er grunnlaget for mange anvendelser som aktuatorer, sensorer, transduksjonselementer, transformatorer, motorer og generatorene.
Hva er Magnetostrikk?
Magnetostrikk ble først oppdaget av James Joule i 1842 da han observerte at en jernstang strekket seg litt når den ble magnetisert langs sin lengde, og krympet litt når den ble magnetisert over sin bredde. Dette fenomenet er kjent som Joules effekt, og det forekommer i de fleste ferromagnetiske materialer (materialer som kan magnetiseres av et eksternt felt) og noen ferrimagnetiske materialer (materialer som har to motstående magnetiske undergitter).
Den fysiske mekanismen bak magnetostrikk er relatert til det interne strukturen av magnetiske materialer, som består av mikroskopiske områder kalt domener. Hvert domene har en uniform magnetiseringretning, som er bestemt av balansen mellom den magnetiske anisotropienergien (materialets tendens til å justere sin magnetisering langs visse kristallretninger) og magnetostatisk energi (materialets tendens til å minimere sine magnetiske poler).
Når et eksternt magnetisk felt påføres et magnetisk materiale, utøver det et dreiemoment på domenene, som får dem til å rotere og justere seg med feltretningen. Denne prosessen involverer bevegelsen av domenegrenser (grensene mellom domener med forskjellige magnetiseringretninger) og deformasjonen av kristallgitteret (oppbyggingen av atomer i materialet). Som et resultat, endrer materialet sin form eller dimensjoner i henhold til sin magnetostruktive spenningsendring (den fraksjonelle endring i lengde eller volum på grunn av magnetostrikk).
Den magnetostruktive spenningsendringen avhenger av flere faktorer, slik som:
Størrelsen og retningen på det påførte magnetiske feltet
Saturasjonsmagnetiseringen (den maksimale mulige magnetiseringen) av materialet
Den magnetiske anisotropien (foretrukket magnetiseringretninger) av materialet
Magnetoelektriske kobling (interaksjon mellom magnetisering og elastisk spenning) av materialet
Temperatur og spenningsforhold for materialet
Den magnetostruktive spenningsendringen kan være positiv eller negativ, avhengig av om materialet utvider seg eller krymper når det magnetiseres. Noen materialer viser en reversjon i tegn på sin magnetostruktive spenningsendring når de er utsatt for høye magnetiske felt, noe som kalles Villari-reversjon.
Den magnetostruktive spenningsendringen kan måles ved ulike metoder, som optisk interferometri, spenningsgauger, piezoelektriske transduksjonselementer, eller resonansmetoder. Den mest vanlige parameteren som brukes for å karakterisere magnetostrikk, er magnetostrukturkoeffisienten (også kjent som Joules koeffisient), som defineres som:
λ=LΔL
der ΔL er endringen i lengde av materialet når det magnetiseres fra null til saturasjon, og L er dets initielle lengde.
Magnetostruktive Materialer
Det finnes mange materialer som viser magnetostrikk, men noen av dem har høyere verdier og bedre ytelse enn andre. Noen eksempler på magnetostruktive materialer er:
Jern: Jern er ett av de vanligste og mest brukte magnetostruktive materialene, på grunn av sin høye saturasjonsmagnetisering og lave kostnad. Imidlertid har jern også noen ulemper, som en lav magnetostrukturkoeffisient (omkring 20 ppm), høy hysteresistap (energien som dissiperes under hver syklus av magnetisering), og høy eddy strømstap (energien som dissiperes pga induerte strømmer i ledende materialer i materialet). Jern har også en lav Curie-temperatur (temperaturen over hvilken et materiale mister sine ferromagnetiske egenskaper), som begrenser dets bruk i høytemperaturanvendelser.
Nikkel: Nikkel har en høyere magnetostrukturkoeffisient enn jern (omkring 60 ppm), men også en høyere hysteresistap og eddy strømstap. Nikkel har også en lav Curie-temperatur (omkring 360 °C) og er utsatt for korrosjon.
Kobolt: Kobolt har en moderat magnetostrukturkoeffisient (omkring 30 ppm), men en høy saturasjonsmagnetisering og en høy Curie-temperatur (omkring 1120 °C). Kobolt har også en lav hysteresistap og eddy strømstap, som gjør det egnet for høyfrekvensanvendelser.
Jern-Aluminium Legem (Alfer): Dette legemet har en høy magnetostrukturkoeffisient (omkring 100 ppm), en høy saturasjonsmagnetisering, og en høy Curie-temperatur (omkring 800 °C). Det har også en lav hysteresistap og eddy strømstap, og gode mekaniske egenskaper. Imidlertid er det vanskelig å produsere og krever spesiell varmebehandling.
Jern-Nikkel Legem (Permalloy): Dette legemet har en lav magnetostrukturkoeffisient (omkring 1 ppm), men en høy saturasjonsmagnetisering og en høy permeabilitet (materialets evne til å støtte et internmagnetisk felt). Det har også en lav hysteresistap og eddy strømstap, som gjør det ideelt for magnetisk skjerming og opptakssystemer.
Kobolt-Nikkel Legem: Dette legemet har en moderat magnetostrukturkoeffisient (omkring 20 ppm), men en høy saturasjonsmagnetisering og en høy Curie-temperatur (omkring 950 °C). Det har også en lav hysteresistap og eddy strømstap, og god korrosjon motstand.
Jern-Kobolt Legem: Dette legemet har en moderat magnetostrukturkoeffisient (omkring 30 ppm), men en svært høy saturasjonsmagnetisering og en høy Curie-temperatur (omkring 980 °C). Det har også en lav hysteresistap og eddy strømstap, og gode mekaniske egenskaper.
Kobolt-Jern-Vanadium Legem (Permendur): Dette legemet har en lav magnetostrukturkoeffisient (omkring 5 ppm), men en svært høy saturasjonsmagnetisering og en svært høy Curie-temperatur (omkring 1400 °C). Det har også en lav hysteresistap og eddy strømstap, som gjør det egnet for høyeffektsanvendelser.
Ferriter: Ferriter er keramiske materialer sammensatt av jernoksid og andre metallsalger, som koboltoksid eller nikkeloksid. De har lave magnetostrukturkoeffisienter (under 10 ppm), men også lav saturasjonsmagnetisering og lav permeabilitet. De har svært lav hysteresistap og eddy strømstap, som gjør dem ideelle for høyfrekvensanvendelser. De har også høye Curie-temperaturer (over 400 °C) og god korrosjon motstand.
Rære Jordarter: Rære jordarter er elementer med atomnummer fra 57 til 71, som lanthan, cerium, neodym, samarium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium eller lutetium. De har svært høye magnetostrukturkoeffisienter (opp til 1000 ppm), men også svært høy hysteresistap og eddy strømstap. De har moderate saturasjonsmagnetisering og permeabilitet, men lave Curie-temperaturer (under 300 °C). De brukes ofte i kombinasjon med andre metaller eller forbindelser for å danne legemer eller intermetaller med forbedrede egenskaper.
Terfenol-D: Terfenol-D er et intermetallisk forbindelse sammensatt
