Magnetostrukcija: Svojstvo magnetnih materijala
Magnetostrukcija se definiše kao osobina nekih magnetnih materijala koja dovodi do promene njihovog oblika ili dimenzija kada su magnetizirani vanjskim magnetnim poljem. Promena veličine ili dužine materijala zbog magnetostrukcije zavisi od jačine i smjera primijenjenog magnetnog polja, kao i od magnetne anizotropije i kristalne strukture materijala.
Magnetostrukcija može se koristiti za pretvaranje elektromagnetske energije u mehaničku energiju, i obrnuto, i predstavlja osnovu za mnoge primjene, poput aktuatora, senzora, transduktora, transformatora, motora i generatora.
Šta je magnetostrukcija?
Magnetostrukcija je prvi put otkrivena od strane Jamesa Joulea 1842. godine kada je primijetio da se željezni štap malo produlji kada je magnetiziran duž svoje dužine, a malo skraćuje kada je magnetiziran okomito na svoju širinu. Ovaj fenomen poznat je kao Jouleov efekt, i javlja se u većini feromagnetskih materijala (materijala koji mogu biti magnetizirani vanjskim poljem) i nekim ferrimagnetskim materijalima (materijalima koji imaju dva suprotna magnetska podrešetljasta).
Fizički mehanizam iza magnetostrukcije vezan je za unutrašnju strukturu magnetskih materijala, koja se sastoji od mikroskopskih regija nazvanih domenima. Svaki domen ima uniformnu magnetizaciju, koja je određena ravnotežom između magnetske anizotropske energije (tendencije materijala da poravnati svoju magnetizaciju duž određenih kristalnih pravaca) i magnetostatičke energije (tendencije materijala da minimizira svoje magnetske polove).
Kada se vanjsko magnetsko polje primijeni na magnetski materijal, ono djeluje momentom na domene, čime ih dovodi do rotacije i poravnanja s pravcem polja. Taj proces uključuje pomicanje granica domena (graničnih površina između domena sa različitim pravcima magnetizacije) i deformaciju kristalne rešetke (rasporeda atoma u materijalu). Kao rezultat, materijal mijenja svoj oblik ili dimenzije prema svojoj magnetostrukcioni debljini (frakcijskoj promjeni dužine ili volumena zbog magnetostrukcije).
Magnetostrukciona debljina zavisi od nekoliko faktora, kao što su:
Jačina i smjer primijenjenog magnetskog polja
Saturacija magnetizacije (maksimalna moguća magnetizacija) materijala
Magnetna anizotropija (preferencija za određene pravce magnetizacije) materijala
Magnetoelasticno spajanje (interakcija između magnetizacije i elastične debljine) materijala
Temperatura i stanje stresa materijala
Magnetostrukciona debljina može biti pozitivna ili negativna, ovisno o tome da li se materijal proširuje ili skuplja kada je magnetiziran. Neki materijali pokazuju promjenu znaka svoje magnetostrukcione debljine kada su izloženi visokim magnetskim poljima, što se zove Villarijeva inverzija.
Magnetostrukciona debljina može se mjeriti različitim metodama, poput optičke interferometrije, dijagrama naprezanja, piezoelastičnih transduktora, ili resonantnih tehnika. Najčešći parametar koji se koristi za karakterizaciju magnetostrukcije je koeficijent magnetostrukcije (također poznat kao Jouleov koeficijent), koji se definira kao:
λ=LΔL
gdje ΔL predstavlja promjenu dužine materijala kada se magnetizira od nule do saturacije, a L je njegova početna dužina.
Magnetostrukcioni materijali
Postoji mnogo materijala koji pokazuju magnetostrukciju, ali neki od njih imaju veće vrijednosti i bolje performanse od drugih. Neki primjeri magnetostrukcionih materijala su:
Željezo: Željezo je jedan od najčešćih i najšire upotrebljavanih magnetostrukcionih materijala, zbog svoje visoke saturacije magnetizacije i niske cijene. Međutim, željezo također ima neke nedostatke, kao što je niski koeficijent magnetostrukcije (oko 20 ppm), visoka histerza gubitak (energija potrošena tijekom svakog ciklusa magnetizacije) i visoki induktivni struja gubitak (energija potrošena zbog induciranih struja u provodljivim materijalima u materijalu). Željezo također ima nisku Curiejevu temperaturu (temperatura iznad koje materijal gubi svoje feromagnetske osobine), što ograničava njegovu upotrebu u aplikacijama na visoku temperaturu.
Nikl: Nikl ima viši koeficijent magnetostrukcije od željeza (oko 60 ppm), ali i viši histerza gubitak i induktivni strujni gubitak. Nikl također ima nisku Curiejevu temperaturu (oko 360 °C) i podložan je koroziji.
Kobalt: Kobalt ima umjereni koeficijent magnetostrukcije (oko 30 ppm), ali visoku saturaciju magnetizacije i visoku Curiejevu temperaturu (oko 1120 °C). Kobalt također ima niski histerza gubitak i induktivni strujni gubitak, što ga čini prikladnim za visokofrekventne aplikacije.
Željezo-aluminijum legura (Alfer): Ova legura ima visok koeficijent magnetostrukcije (oko 100 ppm), visoku saturaciju magnetizacije i visoku Curiejevu temperaturu (oko 800 °C). Također ima niski histerza gubitak i induktivni strujni gubitak, te dobre mekaničke osobine. Međutim, teško je proizvesti i zahtijeva posebnu toplinsku obradu.
Željezo-nikl legura (Permalloy): Ova legura ima niski koeficijent magnetostrukcije (oko 1 ppm), ali visoku saturaciju magnetizacije i visoku permeabilnost (sposobnost materijala da podrži unutrašnje magnetsko polje). Također ima niski histerza gubitak i induktivni strujni gubitak, što ju čini idealnom za magnetsko ekraniranje i snimanje aplikacije.
Kobalt-nikl legura: Ova legura ima umjereni koeficijent magnetostrukcije (oko 20 ppm), ali visoku saturaciju magnetizacije i visoku Curiejevu temperaturu (oko 950 °C). Također ima niski histerza gubitak i induktivni strujni gubitak, te dobru otpornost na koroziju otpornost.
Željezo-kobalt legura: Ova legura ima umjereni koeficijent magnetostrukcije (oko 30 ppm), ali vrlo visoku saturaciju magnetizacije i visoku Curiejevu temperaturu (oko 980 °C). Također ima niski histerza gubitak i induktivni strujni gubitak, te dobre mekaničke osobine.
Kobalt-željezo-vanadijum legura (Permendur): Ova legura ima niski koeficijent magnetostrukcije (oko 5 ppm), ali vrlo visoku saturaciju magnetizacije i vrlo visoku Curiejevu temperaturu (oko 1400 °C). Također ima niski histerza gubitak i induktivni strujni gubitak, što ju čini prikladnom za viskokapacitetne aplikacije.
Ferriti: Ferriti su keramički materijali sastavljeni od željeznih oksida i drugih metalnih oksida, poput kobalt oksida ili nikl oksida. Imaju niske koeficijente magnetostrukcije (manje od 10 ppm), ali i niske saturacije magnetizacije i niske permeabilnosti. Imaju vrlo niske histerza gubitke i induktivne strujne gubitke, što ih čini idealnim za visokofrekventne aplikacije. Također imaju visoke Curiejeve temperature (iznad 400 °C) i dobru otpornost na koroziju otpornost.
