Magnetostrykcja: Właściwość Materiałów Magnetycznych
Magnetostrykcja jest zdefiniowana jako właściwość niektórych materiałów magnetycznych, która powoduje zmianę ich kształtu lub wymiarów pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego. Zmiana rozmiaru lub długości materiału spowodowana magnetostrykcją zależy od siły i kierunku zastosowanego pola magnetycznego, jak również anizotropii magnetycznej i struktury krystalicznej materiału.
Magnetostrykcja może być wykorzystywana do przekształcania energii elektromagnetycznej w mechaniczną, i na odwrót, i stanowi podstawę wielu zastosowań, takich jak aktywatory, czujniki, przetworniki, transformatory, silniki i generatory.
Co to jest magnetostrykcja?
Magnetostrykcję odkrył James Joule w 1842 roku, gdy zaobserwował, że pręt żelazny nieznacznie się wydłużał, gdy był namagnesowany wzdłuż swojej długości, i skracał, gdy był namagnesowany poprzecznie. To zjawisko nazywane jest efektem Joule'a i występuje w większości materiałów ferromagnetycznych (materiałów, które mogą być namagnesowane przez pole zewnętrzne) oraz niektórych materiałach ferrimagnetycznych (materiałów, które mają dwie przeciwne podsieci magnetyczne).
Fizyczny mechanizm magnetostrykcji jest związany z wewnętrzną strukturą materiałów magnetycznych, składającą się z mikroskopijnych obszarów zwanych domenami. Każda domena ma jednolity kierunek namagnesowania, który jest określany przez bilans między energią anizotropii magnetycznej (tendencją materiału do ustawienia swojego namagnesowania w określonych kierunkach krystalicznych) a energią magnetostatyczną (tendencją materiału do minimalizacji jego biegunów magnetycznych).
Gdy do materiału magnetycznego zostanie zastosowane pole magnetyczne, wywiera ono moment obrotowy na domeny, powodując ich obrót i ustawienie w kierunku pola. Ten proces obejmuje ruch ścian domen (granic między domenami o różnych kierunkach namagnesowania) i deformację sieci krystalicznej (układu atomów w materiale). W wyniku tego materiał zmienia swój kształt lub wymiary zgodnie ze swoją magnetostrykcją (frakcyjną zmianą długości lub objętości spowodowaną magnetostrykcją).
Wartość magnetostrykcji zależy od wielu czynników, takich jak:
Wielkość i kierunek zastosowanego pola magnetycznego
Nasycone namagnesowanie (maksymalne możliwe namagnesowanie) materiału
Anizotropia magnetyczna (preferencja dla określonych kierunków namagnesowania) materiału
Powiązanie magnetoelastyczne (interakcja między namagnesowaniem a odkształceniem sprężystym) materiału
Temperatura i stan naprężenia materiału
Wartość magnetostrykcji może być dodatnia lub ujemna, w zależności od tego, czy materiał się rozszerza, czy kurczy, gdy jest namagnesowany. Niektóre materiały wykazują zmianę znaku wartości magnetostrykcji przy wysokich polach magnetycznych, co nazywane jest odwróceniem Villari.
Wartość magnetostrykcji można zmierzyć różnymi metodami, takimi jak interferometria optyczna, odporniki odkształcenia, przetworniki piezoelektryczne, lub techniki rezonansowe. Najczęściej używanym parametrem do charakteryzacji magnetostrykcji jest współczynnik magnetostrykcji (zwany też współczynnikiem Joule'a), który definiuje się jako:
λ=LΔL
gdzie ΔL to zmiana długości materiału, gdy jest namagnesowany od zera do nasycenia, a L to jego początkowa długość.
Materiały magnetostrykcyjne
Istnieje wiele materiałów, które wykazują magnetostrykcję, ale niektóre z nich mają wyższe wartości i lepszą wydajność niż inne. Przykłady materiałów magnetostrykcyjnych to:
Żelazo: Żelazo jest jednym z najbardziej powszechnych i szeroko stosowanych materiałów magnetostrykcyjnych, dzięki dużej nasyconej magnetyczności i niskiej cenie. Jednakże, żelazo ma też pewne wady, takie jak niski współczynnik magnetostrykcji (około 20 ppm), wysokie straty hysterese (energii rozpraszonej podczas każdego cyklu namagnesowania) oraz wysokie straty wirującego prądu (energii rozpraszonej z powodu indukowanych prądów w materiałach przewodzących). Żelazo ma także niską temperaturę Curie (temperaturę powyżej której materiał traci swoje ferromagnetyczne właściwości), co ogranicza jego zastosowanie w wysokotemperaturowych aplikacjach.
Nikiel: Nikiel ma wyższy współczynnik magnetostrykcji niż żelazo (około 60 ppm), ale także wyższe straty hysterese i wirującego prądu. Nikiel ma także niską temperaturę Curie (około 360 °C) i jest podatny na korozję.
Kobalt: Kobalt ma umiarkowany współczynnik magnetostrykcji (około 30 ppm), ale wysoką nasyconą magnetyczność i wysoką temperaturę Curie (około 1120 °C). Kobalt ma także niskie straty hysterezowe i wirującego prądu, co sprawia, że jest odpowiedni dla aplikacji wysokoczęstotliwościowych.
Stop żelaza z aluminium (Alfer): Ten stop ma wysoki współczynnik magnetostrykcji (około 100 ppm), wysoką nasyconą magnetyczność i wysoką temperaturę Curie (około 800 °C). Ma także niskie straty hysterezowe i wirującego prądu, oraz dobre właściwości mechaniczne. Jednakże, jest trudny do produkcji i wymaga specjalnej obróbki cieplnej.
Stop żelaza z niklem (Permalloy): Ten stop ma niski współczynnik magnetostrykcji (około 1 ppm), ale wysoką nasyconą magnetyczność i wysoką przenikalność (zdolność materiału do utrzymania wewnętrznego pola magnetycznego). Ma także niskie straty hysterezowe i wirującego prądu, co sprawia, że jest idealny do zastosowań w ekranach magnetycznych i nagrywaniu.
Stop kobaltu z niklem: Ten stop ma umiarkowany współczynnik magnetostrykcji (około 20 ppm), ale wysoką nasyconą magnetyczność i wysoką temperaturę Curie (około 950 °C). Ma także niskie straty hysterezowe i wirującego prądu, oraz dobrą odporność na korozję.
Stop żelaza z kobaltem: Ten stop ma umiarkowany współczynnik magnetostrykcji (około 30 ppm), ale bardzo wysoką nasyconą magnetyczność i wysoką temperaturę Curie (około 980 °C). Ma także niskie straty hysterezowe i wirującego prądu, oraz dobre właściwości mechaniczne.
Stop kobaltu, żelaza i wanadu (Permendur): Ten stop ma niski współczynnik magnetostrykcji (około 5 ppm), ale bardzo wysoką nasyconą magnetyczność i bardzo wysoką temperaturę Curie (około 1400 °C). Ma także niskie straty hysterezowe i wirującego prądu, co sprawia, że jest odpowiedni dla zastosowań wysokomocy.
Ferrity: Ferrity to ceramiczne materiały składające się z tlenków żelaza i innych metali, takich jak tlenek kobaltu lub tlenek niklu. Mają niskie współczynniki magnetostrykcji (poniżej 10 ppm), ale także niską nasyconą magnetyczność i niską przenikalność. Mają bardzo niskie straty hysterezowe i wirującego prądu, co sprawia, że są idealne dla zastosowań wysokoczęstotliwościowych. Mają również wysokie temperatury Curie (powyżej 400 °C) i dobrą odporność na korozję.
Rzadkie ziemie: Rzadkie ziemie to elementy o liczbach atomowych od 57 do 71, takie jak lanthan, cer, neodym, samarium, gadolin, terb, dysproz, holmium, erbi, tulium, ittr, lub lutec. Mają bardzo wysokie współczynniki magnetostrykcji (do 1000 ppm), ale także bardzo wysokie straty hysterezowe i wirującego prądu
