Magnetostrukcija: Lastnost magnetnih materialov
Magnetostrikcija je lastnost nekaterih magnetnih materialov, ki jim omogoča spremembo oblike ali dimenzij, ko so zunanje magnetno polje. Sprememba velikosti ali dolžine materiala zaradi magnetostrikcije odvisna je od moči in smeri uporabljenega magnetnega polja, kot tudi od magnetne anizotropije in kristalne strukture materiala.
Magnetostrikcijo lahko uporabimo za pretvorbo elektromagnetske energije v mehansko energijo ali obratno, in je osnova za mnoge uporabe, kot so aktuatorji, senzorji, preobrazovalniki, transformatorji, motorji in generatorji.
Kaj je magnetostrikcija?
Magnetostrikcijo je prvi odkril James Joule leta 1842, ko je opazil, da se železni štirip prošira malo, ko ga magnetizira po dolžini, in se skrči malo, ko ga magnetizira po širini. Ta pojav se imenuje Jouleov učinek, in se pojavi pri večini feromagnetnih materialov (materialov, ki jih lahko magnetizira zunanje polje) in nekaterih ferrimagnetnih materialov (materialov, ki imajo dva nasprotna magnetska podmrežja).
Fizični mehanizem za magnetostrikcijo je povezan z notranjo strukturo magnetskih materialov, ki se sestoji iz mikroskopskih regij, imenovanih domeni. Vsaka domena ima enakomerno usmerjeno magnetizacijo, ki jo določa ravnovesje med magnetsko anizotropsko energijo (sklon materiala, da poravnava svojo magnetizacijo v določene kristalne smeri) in magnetostatično energijo (sklon materiala, da minimizira svoje magnetske poli).
Ko se na magnetski material uporabi zunanje magnetsko polje, to polje izvaja vrtilno silo na domene, kar povzroči njihovo vrtenje in poravnavo s smerjo polja. Ta proces vključuje premikanje sten domen (meje med domenami z različno usmerjeno magnetizacijo) in deformacijo kristalne mreže (razporeditve atomov v materialu). Tako se material spremeni v obliko ali dimenzije glede na svojo magnetostrikcijsko natezo (frakcijsko spremembo dolžine ali prostornine zaradi magnetostrikcije).
Magnetostrikcijska natez odvisna je od več dejavnikov, kot so:
Velikost in smer uporabljenega magnetskega polja
Nasičenost magnetizacije (največja možna magnetizacija) materiala
Magnetska anizotropija (preferenca za določene smere magnetizacije) materiala
Magnetoelastična vez (interakcija med magnetizacijo in elastično natezom) materiala
Temperatura in stanje napetosti materiala
Magnetostrikcijska natez lahko je pozitivna ali negativna, odvisno od tega, ali se material razširi ali skrči, ko je magnetiziran. Nekateri materiali pri visokih magnetskih poljih kažejo zamenjavo predznaka svoje magnetostrikcijske nateze, kar se imenuje Villarijeva zamenjava.
Magnetostrikcijsko natez je mogoče meriti z različnimi metodami, kot so optična interferometrija, napetostmeri, piezoelektrični preobrazovalniki ali resonančne tehnike. Najpogostejši parameter, ki se uporablja za karakterizacijo magnetostrikcije, je koeficient magnetostrikcije (tudi Jouleov koeficient), ki je definiran kot:
λ=LΔL
kjer je ΔL sprememba dolžine materiala, ko se magnetizira od nič do nasičenosti, in L njegova začetna dolžina.
Magnetostrikcijski materiali
Obstaja veliko materialov, ki kažejo magnetostrikcijo, vendar nekateri imajo višje vrednosti in boljše zmogljivosti kot drugi. Nekaj primerov magnetostrikcijskih materialov je:
Železo: Železo je eden najpogostejših in najširše uporabljenih magnetostrikcijskih materialov, zaradi svoje visoke nasičene magnetizacije in nizke cene. Vendar pa ima železo tudi nekatere pomanjkljivosti, kot je nizki koeficient magnetostrikcije (oko 20 ppm), visoka histerezna izguba (energija, ki se zapusti med vsakim ciklusom magnetizacije) in visoka izguba zaradi valovičnih tokov (energija, ki se zapusti zaradi induciranih tokov v vodljivih materialih v materialu). Železo ima tudi nizko Curievo temperaturo (temperatura, pri kateri material izgubi svoje feromagnetne lastnosti), kar omejuje njegovo uporabo v aplikacijah pri visokih temperaturah.
Nikel: Nikel ima višji koeficient magnetostrikcije kot železo (oko 60 ppm), vendar tudi višjo histerezno izgubo in izgubo zaradi valovičnih tokov. Nikel ima tudi nizko Curievo temperaturo (oko 360 °C) in je podvržen koroziji.
Kobalt: Kobalt ima umersen koeficient magnetostrikcije (oko 30 ppm), vendar visoko nasičeno magnetizacijo in visoko Curievo temperaturo (oko 1120 °C). Kobalt ima tudi nizko histerezno izgubo in izgubo zaradi valovičnih tokov, kar ga čini primernim za visokofrekvenčne aplikacije.
Železo-aluminijeva zliha (Alfer): Ta zliha ima visok koeficient magnetostrikcije (oko 100 ppm), visoko nasičeno magnetizacijo in visoko Curievo temperaturo (oko 800 °C). Ima tudi nizko histerezno izgubo in izgubo zaradi valovičnih tokov ter dobre mehanske lastnosti. Vendar je težko izdelati in zahteva posebno termično obdelavo.
Železo-nikeljeva zliha (Permalloy): Ta zliha ima nizki koeficient magnetostrikcije (oko 1 ppm), vendar visoko nasičeno magnetizacijo in visoko permeabilnost (možnost materiala, da podpira notranje magnetsko polje). Ima tudi nizko histerezno izgubo in izgubo zaradi valovičnih tokov, kar jo čini idealno za magnetsko ekraniranje in snemanje.
Kobalt-nikeljeva zliha: Ta zliha ima umersen koeficient magnetostrikcije (oko 20 ppm), vendar visoko nasičeno magnetizacijo in visoko Curievo temperaturo (oko 950 °C). Ima tudi nizko histerezno izgubo in izgubo zaradi valovičnih tokov ter dobro odpornost proti koroziji.
Železo-kobaltjeva zliha: Ta zliha ima umersen koeficient magnetostrikcije (oko 30 ppm), vendar zelo visoko nasičeno magnetizacijo in visoko Curievo temperaturo (oko 980 °C). Ima tudi nizko histerezno izgubo in izgubo zaradi valovičnih tokov ter dobre mehanske lastnosti.
Kobalt-železo-vanadjeva zliha (Permendur): Ta zliha ima nizki koeficient magnetostrikcije (oko 5 ppm), vendar zelo visoko nasičeno magnetizacijo in zelo visoko Curievo temperaturo (oko 1400 °C). Ima tudi nizko histerezno izgubo in izgubo zaradi valovičnih tokov, kar jo čini primerno za viskokončne aplikacije.
Ferriti: Ferriti so keramični materiali, sestavljeni iz železnih oksidov in drugih kovinskih oksidov, kot so kobaltov oksid ali nikljev oksid. Imajo nizke koeficiente magnetostrikcije (manj kot 10 ppm), vendar tudi nizko nasičeno magnetizacijo in nizko permeabilnost. Imajo zelo nizko histerezno izgubo in izgubo zaradi valovičnih tokov, kar ju čini idealne za visokofrekvenčne aplikacije. Imajo tudi visoke Curieve temperature (nad 400 °C) in dobro odpornost proti koroziji.
Redki zemeljski elementi: Redki zemeljski elementi so elementi z atomske številke od 57 do 71, kot so lanthan, cer, neodim, samar, gadolin, terbij, disprozij, holmium, erbij, tulij, ittrij ali lutecij. Imajo zelo visoke koeficiente magnetostrikcije (do 1000 ppm), vendar tudi zelo visoke histerezne izgube in izgube zaradi valovičnih tokov. Imajo umersen nasičeni magnetizacijo in permeabilnost, vendar nizke Curieve temperature (pod 300 °C). Često se uporabljajo v kombinaciji z drugimi kovinsko ali spojinami, da se ustvarijo zlihe ali mešane spojine s izboljšanimi lastnostmi.
Terfenol-D: Terfenol-D je mešana spojina, sestavljena iz terbija, železa in disprozija. Ima najvišji koeficient magnetostrikcije, ki je bil kdaj zabeležen (oko 2000 ppm), kar pomeni, da lahko pri magnetizaciji ustvari zelo velike nateze. Ima tudi visoko nasičeno magnetizacijo in visoko Curievo temperaturo (oko 380 °C). Vendar ima tudi zelo visoko histerezno izgubo in izgubo zaradi valovičnih tokov, kar omejuje njegov učinkovitost in frekvenčni obseg. Za dosego maksimalnega nateza zahteva visoko magnetsko polje (oko 800 kA/m), kar poveča njegovo porabo energije in ceno.
Galfenol: Galfenol je zliha železa in galija, s sestavo okoli Fe81Ga19
