Magnetorestriction: En egenskap hos magnetiska material
Magnetostriction definieras som egenskapen hos vissa magnetiska material att ändra sin form eller dimensioner när de magnetiseras av en extern magnetfält. Förändringen i storlek eller längd av ett material på grund av magnetostriction beror på styrkan och riktningen av det tillämpade magnetfältet, samt materialets magnetiska anisotropi och kristallstruktur.
Magnetostriction kan användas för att omvandla elektromagnetisk energi till mekanisk energi, eller vice versa, och är grunden för många tillämpningar som aktuatorer, sensorer, transducer, transformatorer, motorer och generatorer.
Vad är Magnetostriction?
Magnetostriction upptäcktes först av James Joule 1842 när han observerade att en järnstång förlängdes något när den magnetiserades längs sin längd, och förkortades något när den magnetiserades över sin bredd. Detta fenomen kallas Joules effekt, och det inträffar i de flesta ferromagnetiska material (material som kan magnetiseras av ett externt fält) och vissa ferrimagnetiska material (material som har två motsatta magnetiska undergitter).
Den fysiska mekanismen bakom magnetostriction är relaterad till det interna strukturen av magnetiska material, vilket består av mikroskopiska regioner kallade domäner. Varje domän har en enhetlig magnetiseringriktning, vilken bestäms av balansen mellan den magnetiska anisotropienergien (tendensen för materialet att justera sin magnetisering längs vissa kristallriktningar) och den magnetostatiska energin (tendensen för materialet att minimera sina magnetiska poler).
När ett externt magnetfält tillämpas på ett magnetiskt material utövar det en moment på domänerna, vilket får dem att rotera och justera sig med fältriktningen. Denna process innebär rörelse av domängränser (gränserna mellan domäner med olika magnetiseringriktningar) och deformation av kristallgitteret (arrangemanget av atomer i materialet). Som resultat ändrar materialet sin form eller dimensioner enligt sin magnetostrictiva spänning (den fraktionella förändringen i längd eller volym på grund av magnetostriction).
Den magnetostrictiva spänningen beror på flera faktorer, såsom:
Styrkan och riktningen av det tillämpade magnetfältet
Sättspunktmagnetiseringen (den maximala möjliga magnetiseringen) av materialet
Magnetiska anisotropin (preferensen för vissa magnetiseringriktningar) av materialet
Magnetelastiska kopplingen (interaktionen mellan magnetisering och elastisk spänning) av materialet
Temperaturen och spänningsläget av materialet
Den magnetostrictiva spänningen kan vara positiv eller negativ, beroende på om materialet expanderar eller kontraherar när det magnetiseras. Några material visar en omvändning i tecken på sin magnetostrictiva spänning när de exponeras för höga magnetfält, vilket kallas Villari-omvändning.
Den magnetostrictiva spänningen kan mätas med olika metoder, såsom optisk interferometri, spänningsmätare, piezoelektriska transducer, eller resonanta tekniker. Den vanligaste parametern som används för att karakterisera magnetostriction är magnetostrictionkoefficienten (även kallad Joules koefficient), som definieras som:
λ=LΔL
där ΔL är förändringen i längd av materialet när det magnetiseras från noll till sättspunkt, och L är dess ursprungliga längd.
Magnetostrictiva Material
Det finns många material som visar magnetostriction, men några av dem har högre värden och bättre prestanda än andra. Några exempel på magnetostrictiva material är:
Järn: Järn är ett av de vanligaste och mest använda magnetostrictiva materialen, tack vare sin höga sättspunktmagnetisering och låga kostnad. Men järn har också vissa nackdelar, såsom en låg magnetostrictionkoefficient (ca 20 ppm), hög hysteresisförlust (energin som dissiperas under varje cykel av magnetisering), och hög virvel ström förlust (energin som dissiperas p.g.a. inducerade strömmar i ledande material i materialet). Järn har också en låg Curietemperatur (temperaturen över vilken ett material förlorar sina ferromagnetiska egenskaper), vilket begränsar dess användning i högtemperaturapplikationer.
Nickel: Nickel har en högre magnetostrictionkoefficient än järn (ca 60 ppm), men också en högre hysteresisförlust och virvelströmförlust. Nickel har också en låg Curietemperatur (ca 360 °C) och är benägen för korrosion.
Kobolt: Kobolt har en moderat magnetostrictionkoefficient (ca 30 ppm), men en hög sättspunktmagnetisering och en hög Curietemperatur (ca 1120 °C). Kobolt har också en låg hysteresisförlust och virvelströmförlust, vilket gör det lämpligt för högfrekvensapplikationer.
Järn-Aluminiumlegierung (Alfer): Denna legierung har en hög magnetostrictionkoefficient (ca 100 ppm), en hög sättspunktmagnetisering och en hög Curietemperatur (ca 800 °C). Den har också en låg hysteresisförlust och virvelströmförlust, samt goda mekaniska egenskaper. Men den är svår att tillverka och kräver specialbehandling.
Järn-Nickellegierung (Permalloy): Denna legierung har en låg magnetostrictionkoefficient (ca 1 ppm), men en hög sättspunktmagnetisering och en hög permeabilitet (förmågan hos ett material att stödja ett internt magnetfält). Den har också en låg hysteresisförlust och virvelströmförlust, vilket gör den idealisk för magnetisk skärmning och inspelningsapplikationer.
Kobolt-Nickellegierung: Denna legierung har en moderat magnetostrictionkoefficient (ca 20 ppm), men en hög sättspunktmagnetisering och en hög Curietemperatur (ca 950 °C). Den har också en låg hysteresisförlust och virvelströmförlust, samt god korrosionsbeständighet.
Järn-Koboltlegierung: Denna legierung har en moderat magnetostrictionkoefficient (ca 30 ppm), men en mycket hög sättspunktmagnetisering och en hög Curietemperatur (ca 980 °C). Den har också en låg hysteresisförlust och virvelströmförlust, samt goda mekaniska egenskaper.
Kobolt-Järn-Vanadiumlegierung (Permendur): Denna legierung har en låg magnetostrictionkoefficient (ca 5 ppm), men en mycket hög sättspunktmagnetisering och en mycket hög Curietemperatur (ca 1400 °C). Den har också en låg hysteresisförlust och virvelströmförlust, vilket gör den lämplig för högeffektsapplikationer.
Ferriter: Ferriter är keramiska material som består av järnoxider och andra metallyxider, såsom koboltoksid eller nikelloxid. De har låga magnetostrictionkoefficienter (mindre än 10 ppm), men också låga sättspunktmagnetiseringar och låga permeabiliteter. De har mycket låga hysteresisförluster och virvelströmförluster, vilket gör dem idealiska för högfrekvensapplikationer. De har också höga Curietemperature (över 400 °C) och god korrosionsbeständighet.
Sällsynta jordarter: Sällsynta jordarter är element med atomnummer från 57 till 71, som lanthan, cerium, neodym, samarium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium eller lutetium. De har mycket höga magnetostrictionkoefficienter (upp till 1000 ppm), men också mycket höga hysteresisförluster och virvelströmförluster. De har moderata sättspunktmagnetiseringar och permeabiliteter, men låga Curietemperature (under 300 °C). De används ofta i kombination med andra metaller eller föreningar för att forma legeringar eller intermetalliska med förbättrade egenskaper.
Terfenol-D: Terfenol-D är en intermetallisk förening bestående av terbium, järn och dysprosium. Den har den högsta magnetostrictionkoefficient som någonsin registrerats (ca 2000 ppm), vilket betyder att den kan producera mycket stora spänningar när den magnetiseras. Den har också en hög sättspunktmagnetisering och en hög Curietemperatur (ca 380 °C). Men den har också en mycket hög hysteresisförlust och virvelströmförlust, vilket begränsar dess effektivitet och frekvensområde. Den kräver också ett högt magnetfält (ca 800 kA/m) för att nå sin maximala spänning, vilket ökar dess energiförbrukning och kostnad.
Galfenol: Galfenol är en legering av järn och gallium, med en sammansättning av ca Fe81Ga19. Den har en moderat magnetostrictionkoefficient (ca 250 ppm), men en mycket låg hysteresisförlust och virvelströmförlust, vilket gör den mer effektiv och hållbar än Terfenol-D. Den har också en hög sättspunktmagnetisering och en hög Curietemperatur (ca 700 °C). Den kan fungera vid låga magnetfält (ca 100 k
