Магнестрикция: Свойство магнитных материалов
Магнитострикция определяется как свойство некоторых магнитных материалов, которое вызывает изменение их формы или размеров при намагничивании внешним магнитным полем. Изменение размера или длины материала вследствие магнитострикции зависит от силы и направления приложенного магнитного поля, а также от магнитной анизотропии и кристаллической структуры материала.
Магнитострикцию можно использовать для преобразования электромагнитной энергии в механическую энергию и наоборот, и она является основой для многих применений, таких как актуаторы, датчики, преобразователи, трансформаторы, двигатели и генераторы.
Что такое магнитострикция?
Магнитострикция была впервые обнаружена Джеймсом Джоулем в 1842 году, когда он заметил, что железный стержень слегка удлиняется при намагничивании вдоль его длины и слегка сжимается при намагничивании поперек своей ширины. Это явление известно как эффект Джоуля, и оно наблюдается во многих ферромагнитных материалах (материалах, которые могут быть намагниченными внешним полем) и некоторых ферримагнитных материалах (материалах, имеющих две противоположные магнитные подрешетки).
Физический механизм магнитострикции связан с внутренней структурой магнитных материалов, которая состоит из микроскопических областей, называемых доменами. Каждый домен имеет однородное направление намагниченности, которое определяется балансом между энергией магнитной анизотропии (тенденцией материала выравнивать свою намагниченность в определенных кристаллических направлениях) и магнитостатической энергией (тенденцией материала минимизировать свои магнитные полюса).
Когда к магнитному материалу применяется внешнее магнитное поле, оно оказывает момент на домены, заставляя их вращаться и выравниваться по направлению поля. Этот процесс включает движение границ доменов (границ между доменами с разными направлениями намагниченности) и деформацию кристаллической решетки (расположения атомов в материале). В результате материал изменяет свою форму или размеры в соответствии со своим магнитострикционным напряжением (дробным изменением длины или объема вследствие магнитострикции).
Магнитострикционное напряжение зависит от нескольких факторов, таких как:
Сила и направление приложенного магнитного поля
Насыщенная намагниченность (максимально возможная намагниченность) материала
Магнитная анизотропия (предпочтительные направления намагниченности) материала
Магнитоупругое взаимодействие (взаимодействие между намагниченностью и упругим напряжением) материала
Температура и состояние напряжения материала
Магнитострикционное напряжение может быть положительным или отрицательным, в зависимости от того, расширяется ли материал или сжимается при намагничивании. Некоторые материалы демонстрируют изменение знака своего магнитострикционного напряжения при воздействии высоких магнитных полей, что известно как обратный эффект Виллари.
Магнитострикционное напряжение можно измерить различными методами, такими как оптическая интерферометрия, датчики деформации, пьезоэлектрические преобразователи или резонансные методы. Наиболее распространенным параметром, используемым для характеристики магнитострикции, является коэффициент магнитострикции (также называемый коэффициентом Джоуля), который определяется как:
λ=LΔL
где ΔL — изменение длины материала при намагничивании от нуля до насыщения, а L — его начальная длина.
Магнитострикционные материалы
Существует множество материалов, проявляющих магнитострикцию, но некоторые из них имеют более высокие значения и лучшие характеристики, чем другие. Примеры магнитострикционных материалов следующие:
Железо: Железо — один из самых распространенных и широко используемых магнитострикционных материалов благодаря его высокой насыщенной намагниченности и низкой стоимости. Однако железо также имеет некоторые недостатки, такие как низкий коэффициент магнитострикции (около 20 ppm), высокие потери на гистерезис (энергия, рассеиваемая при каждом цикле намагничивания) и высокие потери на вихревые токи (энергия, рассеиваемая из-за индуцированных токов в проводящих материалах). Железо также имеет низкую температуру Кюри (температура, выше которой материал теряет свои ферромагнитные свойства), что ограничивает его использование в высокотемпературных приложениях.
Никель: У никеля коэффициент магнитострикции выше, чем у железа (около 60 ppm), но также выше потери на гистерезис и потери на вихревые токи. Никель также имеет низкую температуру Кюри (около 360 °C) и склонен к коррозии.
Кобальт: У кобальта умеренный коэффициент магнитострикции (около 30 ppm), но высокая насыщенная намагниченность и высокая температура Кюри (около 1120 °C). Кобальт также имеет низкие потери на гистерезис и вихревые токи, что делает его подходящим для высокочастотных приложений.
Алюминий-железный сплав (Alfer): Этот сплав имеет высокий коэффициент магнитострикции (около 100 ppm), высокую насыщенную намагниченность и высокую температуру Кюри (около 800 °C). Он также имеет низкие потери на гистерезис и вихревые токи, а также хорошие механические свойства. Однако его трудно изготовить, и требуется специальная термообработка.
Никель-железный сплав (Пермаллой): Этот сплав имеет низкий коэффициент магнитострикции (около 1 ppm), но высокую насыщенную намагниченность и высокую проницаемость (способность материала поддерживать внутреннее магнитное поле). Он также имеет низкие потери на гистерезис и вихревые токи, что делает его идеальным для магнитного экранирования и записывающих приложений.
Никель-кобальтовый сплав: Этот сплав имеет умеренный коэффициент магнитострикции (около 20 ppm), но высокую насыщенную намагниченность и высокую температуру Кюри (около 950 °C). Он также имеет низкие потери на гистерезис и вихревые токи, а также хорошее сопротивление коррозии.
Кобальт-железный сплав: Этот сплав имеет умеренный коэффициент магнитострикции (около 30 ppm), но очень высокую насыщенную намагниченность и высокую температуру Кюри (около 980 °C). Он также имеет низкие потери на гистерезис и вихревые токи, а также хорошие механические свойства.
Кобальт-железо-ванадиевый сплав (Пермендур): Этот сплав имеет низкий коэффициент магнитострикции (около 5 ppm), но очень высокую насыщенную намагниченность и очень высокую температуру Кюри (около 1400 °C). Он также имеет низкие потери на гистерезис и вихревые токи, что делает его подходящим для высокомощных приложений.
Ферриты: Ферриты — это керамические материалы, состоящие из оксидов железа и других металлов, таких как оксид кобальта или никеля. Они имеют низкие коэффициенты магнитострикции (менее 10 ppm), но также низкую насыщенную намагниченность и низкую проницаемость. Они имеют очень низкие потери на гистерезис и вихревые токи, что делает их идеальными для высокочастотных приложений. Они также имеют высокие температуры Кюри (выше 400 °C) и хорошее сопротивление коррозии.
Редкоземельные элементы: Редкоземельные элементы — это элементы с атомными номерами от 57 до 71, такими как лантан, церий, неодим, самарий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий или лютеций. Они имеют очень высокие коэффициенты магнитострикции (до 1000 ppm), но также очень высокие потери на гистерезис и вихревые токи. Они имеют умеренную насыщенную намагниченность и проницаемость, но низкие температуры Кюри (ниже 300 °C). Их часто используют в сочетании с другими металлами или соединениями для создания сплавов или интерметаллидов с улучшенными свойствами.
Терфенол-Д: Терфенол-Д — это интерметаллическое соединение, состоящее из тербия, железа и диспрозия. Оно имеет самый высокий зарегистрированный коэффициент магнитострикции (около 2000 ppm), что означает, что оно может производить очень большие деформации при намагничивании. Оно также имеет высокую насыщенную намагниченность и высокую температуру Кюри (около 380 °C). Однако оно также имеет очень высокие потери на гистерезис и вихревые токи, что ограничивает его эффектив
