Mgambo wa Matumizi ya Umeme: Sifa ya Vyanzo vya Umeme
Magnetostriction ni kujulikana kama sifa ya baadhi ya vifaa vya umeme ambavyo huathiri na kuongeza au kupunguza uzima wao au mizizi yao wakati wanapatikana namagnetic field. Mabadiliko ya ukubwa au mrefu wa chombo kutokana na magnetostriction huwasili kwenye nguvu na mwelekeo wa magnetic field iliyopatikana, pamoja na anisotropia ya umeme na muundo wa kristali wa chombo.
Magnetostriction inaweza kutumika kutoa nishati ya umeme kwenye nishati ya mkoa, au upande mzuri, na ni msingi wa matumizi mengi kama vile actuators, sensors, transducers, transformers, motors, na generators.
Nini ni Magnetostriction?
Magnetostriction ilkufunika kwanza na James Joule mwaka 1842 alipokuona kuwa barra ya chuma iliivua kidogo wakati ilikuwa imetumika na umeme wa nje, na iliipunguza kidogo wakati ilikuwa imetumika tofauti na mrefu wake. Hii hali inatafsiriwa kama athari ya Joule, na inafanikiwa katika zaidi ferromagnetic materials (vifaa vinavyoweza kutumika na magnetic field ya nje) na baadhi ya vifaa vya ferrimagnetic (vifaa vinavyo na sublattices za umeme mbili tofauti).
Mkondo wa fizikia unayewakilisha magnetostriction unajumuisha muundo wa ndani wa vifaa vya umeme, ambayo ni vifaa viwili vidogo vidogo vilivyowekwa domains. Kila domain ana mwelekeo wa magnetization uniform, ambayo hutolewa kwa mizani kati ya nishati ya anisotropia ya umeme (tendensi ya chombo kukusanya magnetization yake kulingana na mwelekeo wa kristali maalum) na nishati ya magnetostatic (tendensi ya chombo kupunguza magnetic poles zake).
Wakati magnetic field ya nje itumika kwenye chombo cha umeme, itakuwa na mkono wa kutosha kwa domains, kuhusu kuboresha na kuweka kwa mwelekeo wa magnetic field. Hii procesi inahitaji mzunguko wa domain walls (mfumo wa domains na mwelekeo tofauti wa magnetization) na mabadiliko ya crystal lattice (maelezo ya atoms kwenye chombo). Mara hii, chombo kinabadilika kwa uzima au mizizi kulingana na magnetostrictive strain lake (mabadiliko ya asili kwenye urefu au uwiano kutokana na magnetostriction).
Magnetostrictive strain hutegemea kwa vitu kadhaa, kama:
Nguvu na mwelekeo wa magnetic field iliyopatikana
Saturation magnetization (magnetization kamili inayoweza kufanyika) ya chombo
Anisotropia ya umeme (upendo wa mwelekeo wa magnetization maalum) ya chombo
Magnetoelastic coupling (interactio ya magnetization na elastic strain) ya chombo
Joto na hali ya stress ya chombo
Magnetostrictive strain inaweza kuwa chanya au hasi, kulingana na chombo kinavua au kuchomoka wakati kina patikana na magnetic field. Baadhi ya vifaa huchapa uhambo wa ishara wa magnetostrictive strain wakati wana patikana na magnetic fields kali, ambayo inatafsiriwa kama Villari reversal.
Magnetostrictive strain inaweza kutathmini kwa njia tofauti, kama optical interferometry, strain gauges, piezoelectric transducers, au resonant techniques. Parameter zaidi kutumika kutoa taarifa kuhusu magnetostriction ni magnetostriction coefficient (ambayo pia inatafsiriwa kama Joule’s coefficient), ambayo inaelezea:
λ=LΔL
ambapo ΔL ni mabadiliko ya urefu wa chombo wakati kinapatikana na magnetic field kutoka zero hadi saturation, na L ni urefu wake wa awali.
Vifaa vya Magnetostrictive
Kuna vifaa vingi vinavyohitimu magnetostriction, lakini baadhi yake yanayofanikiwa zaidi na performance bora zaidi. Baadhi ya misemo ya vifaa vya magnetostrictive ni:
Chuma: Chuma ni moja ya vifaa vya magnetostrictive vya kawaida na vinavyotumiwa sana, kwa sababu ya saturation magnetization yake ya juu na gharama chache. Lakini, chuma pia kina changamoto kadhaa, kama magnetostriction coefficient chenye thamani chache (chache zaidi 20 ppm), hysteresis loss kali (nishati inayopotea kila anga ya magnetization), na eddy current loss kali (nishati inayopotea kutokana na induced currents kwenye vifaa vya umeme kwenye chombo). Chuma pia kina Curie temperature chache (joto juu ambalo chombo chenye ferromagnetic properties linapoteza), ambalo kunihatarisha tume katika matumizi ya joto juu.
Nickel: Nickel una magnetostriction coefficient chenye thamani juu kuliko chuma (chache zaidi 60 ppm), lakini pia una hysteresis loss na eddy current loss kali. Nickel pia una Curie temperature chache (chache zaidi 360 °C) na anaweza kupata corrosion.
Cobalt: Cobalt una magnetostriction coefficient chenye thamani chache (chache zaidi 30 ppm), lakini una saturation magnetization na Curie temperature juu (chache zaidi 1120 °C). Cobalt pia una hysteresis loss na eddy current loss chache, kufanya iwe sawa na matumizi ya maguta juu.
Iron-Aluminum Alloy (Alfer): Alloy hii ina magnetostriction coefficient chenye thamani juu (chache zaidi 100 ppm), saturation magnetization juu, na Curie temperature juu (chache zaidi 800 °C). Iko pia na hysteresis loss na eddy current loss chache, na mechanical properties bora. Lakini, ni vigumu kutengeneza na inahitaji heat treatment maalum.
Iron-Nickel Alloy (Permalloy): Alloy hii ina magnetostriction coefficient chenye thamani chache (chache zaidi 1 ppm), lakini ina saturation magnetization na permeability juu (ugawaji wa chombo kusupport internal magnetic field). Ina pia hysteresis loss na eddy current loss chache, kufanya iwe bora kwa magnetic shielding na matumizi ya rekodi.
Cobalt-Nickel Alloy: Alloy hii ina magnetostriction coefficient chenye thamani chache (chache zaidi 20 ppm), lakini ina saturation magnetization na Curie temperature juu (chache zaidi 950 °C). Ina pia hysteresis loss na eddy current loss chache, na corrosion resistance bora.
Iron-Cobalt Alloy: Alloy hii ina magnetostriction coefficient chenye thamani chache (chache zaidi 30 ppm), lakini ina saturation magnetization na Curie temperature juu (chache zaidi 980 °C). Ina pia hysteresis loss na eddy current loss chache, na mechanical properties bora.
Cobalt-Iron-Vanadium Alloy (Permendur): Alloy hii ina magnetostriction coefficient chenye thamani chache (chache zaidi 5 ppm), lakini ina saturation magnetization na Curie temperature juu (chache zaidi 1400 °C). Ina pia hysteresis loss na eddy current loss chache, kufanya iwe bora kwa matumizi ya nishati juu.
Ferrites: Ferrites ni vifaa vya ceramic vilivyotengenezwa kwa iron oxides na vifaa vingine vya metal oxides, kama cobalt oxide au nickel oxide. Wanahitaji magnetostriction coefficients chache (chache zaidi 10 ppm), lakini pia wanahitaji saturation magnetization na permeability chache. Wanahitaji pia hysteresis loss na eddy current loss chache, kufanya wawe bora kwa matumizi ya maguta juu. Wanahitaji pia Curie temperatures juu (juu ya 400 °C) na corrosion resistance bora.
Rare Earths: Rare earths ni elements wenye atomic numbers kutoka 57 hadi 71, kama lanthanum, cerium, neodymium, samarium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium au lutetium. Wanahitaji magnetostriction coefficients juu (chache zaidi 1000 ppm), lakini pia wanahitaji hysteresis loss na eddy current loss juu. Wanahitaji pia saturation magnetization na permeability chache, lakini Curie temperatures chache (chache zaidi 300 °C). Wanatumika mara kwa mara kwa pamoja na vifaa vingine vya metals au compounds kutoa alloys au intermetallics wenye maslahi zaidi.
Terfenol-D: Terfenol-D ni intermetallic compound uliotengenezwa kwa terbium, iron, na dysprosium. Una magnetostriction coefficient chenye thamani juu zaidi (chache zaidi 2000 ppm), ambayo inamaanisha kuwa inaweza kutengeneza strains makubwa wakati inapatikana na magnetic field. Ina pia saturation magnetization na Curie temperature juu (chache zaidi 380 °C). Lakini, ina pia hysteresis loss na eddy current loss juu, ambayo inahatarisha efficiency na frequency range. Inahitaji pia magnetic field juu (chache zaidi 800 kA/m) kupata strain wake maximum, ambayo inongeza power consumption na gharama.
Galfenol: Galfenol ni alloy ya iron na gallium, na composition ya Fe81Ga19. Una magnetostriction coefficient chenye thamani chache (chache zaidi 250 ppm), lakini ina hysteresis loss na eddy current loss chache, ambayo kufanya iwe efficient na durable kuliko Terfenol-D. Ina pia saturation magnetization na Curie temperature juu (chache zaidi 700 °C). Inaweza kutumika kwa magnetic fields chache (chache zaidi 100 kA/m) na frequencies juu (had
