คุณสมบัติของวัสดุแม่เหล็ก: แมกเนโตสตริกชัน
แมกเนโทสตริกชันถูกกำหนดให้เป็นคุณสมบัติของวัสดุมีความแม่เหล็กบางชนิดที่ทำให้รูปร่างหรือขนาดของวัสดุเปลี่ยนแปลงเมื่อถูกแม่เหล็กจากภายนอกสนามแม่เหล็ก. การเปลี่ยนแปลงในขนาดหรือความยาวของวัสดุดังกล่าวขึ้นอยู่กับความแรงและทิศทางของสนามแม่เหล็กที่ใช้สนามแม่เหล็ก, รวมถึงการมีความไม่เท่ากันทางแม่เหล็กและโครงสร้างผลึกของวัสดุ.
แมกเนโทสตริกชันสามารถใช้ในการแปลงพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นพลังงานเชิงกล หรือในทางตรงกันข้าม และเป็นพื้นฐานสำหรับการประยุกต์ใช้งานหลายประเภท เช่น อุปกรณ์ควบคุม, เซ็นเซอร์, ทรานดูเซอร์, หม้อแปลง, มอเตอร์ และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า.
อะไรคือแมกเนโทสตริกชัน?
แมกเนโทสตริกชันถูกค้นพบครั้งแรกโดยเจมส์ จูล ในปี ค.ศ. 1842 เมื่อเขาสังเกตเห็นว่าแท่งเหล็กขยายเล็กน้อยเมื่อถูกแม่เหล็กตามความยาว และหดตัวเล็กน้อยเมื่อถูกแม่เหล็กตามความกว้าง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าเอฟเฟกต์ของจูล และเกิดขึ้นในวัสดุมีความแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติกส่วนใหญ่ (วัสดุที่สามารถถูกแม่เหล็กได้โดยสนามแม่เหล็กภายนอก) และวัสดุมีความแม่เหล็กเฟอร์ริแมกเนติกบางชนิด (วัสดุที่มีสองโครงสร้างแม่เหล็กที่ตรงข้าม).
กลไกทางกายภาพเบื้องหลังแมกเนโทสตริกชันเกี่ยวข้องกับโครงสร้างภายในของวัสดุมีความแม่เหล็ก ซึ่งประกอบด้วยเขตภูมิภาคขนาดเล็กที่เรียกว่าโดเมน แต่ละโดเมนมีทิศทางแม่เหล็กที่สม่ำเสมอ ซึ่งถูกกำหนดโดยสมดุลระหว่างพลังงานความไม่เท่ากันทางแม่เหล็ก (แนวโน้มของวัสดุที่จะจัดเรียงแม่เหล็กตามทิศทางของผลึกบางทิศทาง) และพลังงานแม่เหล็กสถิต (แนวโน้มของวัสดุที่จะลดขั้วแม่เหล็กของตน).
เมื่อสนามแม่เหล็กภายนอกถูกนำไปใช้กับวัสดุมีความแม่เหล็ก มันจะออกแรงบิดบนโดเมน ทำให้โดเมนหมุนและจัดเรียงตามทิศทางของสนามแม่เหล็ก กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของผนังโดเมน (ขอบเขตระหว่างโดเมนที่มีทิศทางแม่เหล็กต่างกัน) และการเปลี่ยนรูปของโครงสร้างผลึก (การจัดเรียงอะตอมในวัสดุ) ผลคือ วัสดุเปลี่ยนรูปร่างหรือขนาดตามความแมกเนโทสตริกชัน (การเปลี่ยนแปลงเปอร์เซ็นต์ของความยาวหรือปริมาตรเนื่องจากแมกเนโทสตริกชัน).
ความแมกเนโทสตริกชันขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย เช่น:
ความแรงและทิศทางของสนามแม่เหล็กที่ใช้
ความแม่เหล็กสูงสุด (ความแม่เหล็กสูงสุดที่เป็นไปได้) ของวัสดุ
ความไม่เท่ากันทางแม่เหล็ก (ความชอบที่จะมีทิศทางแม่เหล็กบางทิศทาง) ของวัสดุ
การประสานระหว่างแม่เหล็กและความเค้นยืดหยุ่น (การปฏิสัมพันธ์ระหว่างแม่เหล็กและความเค้นยืดหยุ่น) ของวัสดุ
อุณหภูมิและสภาพความเครียดของวัสดุ
ความเค้นยืดหยุ่นจากการแมกเนโทสตริกชันอาจเป็นบวกหรือลบ ขึ้นอยู่กับว่าวัสดุขยายหรือหดตัวเมื่อถูกแม่เหล็ก วัสดุบางชนิดแสดงให้เห็นว่ามีการเปลี่ยนแปลงของความเค้นยืดหยุ่นจากการแมกเนโทสตริกชันเมื่อถูกสนามแม่เหล็กที่สูง ซึ่งเรียกว่าการกลับทิศของวิลลารี.
ความเค้นยืดหยุ่นจากการแมกเนโทสตริกชันสามารถวัดได้ด้วยวิธีต่างๆ เช่น อินเทอร์เฟอโรมิทรีแบบแสง,เครื่องวัดความเค้น,ทรานดูเซอร์พิซโซอิเล็กทริก, หรือเทคนิคการสั่นสะเทือน. พารามิเตอร์ที่ใช้มากที่สุดในการอธิบายแมกเนโทสตริกชันคือสัมประสิทธิ์แมกเนโทสตริกชัน (หรือเรียกว่าสัมประสิทธิ์ของจูล) ซึ่งถูกกำหนดไว้ว่า:
λ=LΔL
โดย ΔL คือการเปลี่ยนแปลงความยาวของวัสดุเมื่อถูกแม่เหล็กจากศูนย์ถึงความแม่เหล็กสูงสุด และ L คือความยาวเริ่มต้น.
วัสดุมีความแม่เหล็กแมกเนโทสตริกชัน
มีวัสดุหลายชนิดที่แสดงให้เห็นถึงแมกเนโทสตริกชัน แต่บางชนิดมีค่าสูงและมีประสิทธิภาพดีกว่าอื่นๆ ตัวอย่างของวัสดุมีความแม่เหล็กแมกเนโทสตริกชันคือ:
เหล็ก: เหล็กเป็นวัสดุมีความแม่เหล็กแมกเนโทสตริกชันที่พบมากและใช้แพร่หลายที่สุด เนื่องจากมีความแม่เหล็กสูงสุดสูงและราคาถูก อย่างไรก็ตาม เหล็กก็มีข้อเสียบางประการ เช่น สัมประสิทธิ์แมกเนโทสตริกชันต่ำ (ประมาณ 20 ppm),การสูญเสียฮิสเตอเรสิสสูง (พลังงานที่สูญเสียระหว่างวงจรแม่เหล็ก) และการสูญเสียกระแสวนสูง (พลังงานที่สูญเสียเนื่องจากกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในวัสดุนำไฟฟ้า).
นิกเกิล: นิกเกิลมีสัมประสิทธิ์แมกเนโทสตริกชันสูงกว่าเหล็ก (ประมาณ 60 ppm) แต่ก็มีการสูญเสียฮิสเตอเรสิสและการสูญเสียกระแสวนสูงเช่นกัน นิกเกิลมีอุณหภูมิคูรีต่ำ (ประมาณ 360 °C) และมีแนวโน้มที่จะเกิดการกัดกร่อน.
โคบอลต์: โคบอลต์มีสัมประสิทธิ์แมกเนโทสตริกชันปานกลาง (ประมาณ 30 ppm) แต่มีความแม่เหล็กสูงสุดสูงและอุณหภูมิคูรีสูง (ประมาณ 1120 °C) โคบอลต์มีการสูญเสียฮิสเตอเรสิสและการสูญเสียกระแสวนต่ำ ทำให้เหมาะสมสำหรับการใช้งานความถี่สูง.
เหล็ก-อะลูมิเนียมอัลลอย (Alfer): อัลลอยนี้มีสัมประสิทธิ์แมกเนโทสตริกชันสูง (ประมาณ 100 ppm) ความแม่เหล็กสูงสุดสูง และอุณหภูมิคูรีสูง (ประมาณ 800 °C) นอกจากนี้ยังมีการสูญเสียฮิสเตอเรสิสและการสูญเสียกระแสวนต่ำ และมีคุณสมบัติเชิงกลที่ดี อย่างไรก็ตาม มันยากต่อการผลิตและต้องการการอบร้อนพิเศษ.
เหล็ก-นิกเกิลอัลลอย (Permalloy): อัลลอยนี้มีสัมประสิทธิ์แมกเนโทสตริกชันต่ำ (ประมาณ 1 ppm) แต่มีความแม่เหล็กสูงสุดสูงและมีความซึมผ่านแม่เหล็กสูง (ความสามารถของวัสดุในการสนับสนุนสนามแม่เหล็กภายใน) นอกจากนี้ยังมีการสูญเสียฮิสเตอเรสิสและการสูญเสียกระแสวนต่ำ ทำให้เหมาะสมสำหรับการป้องกันแม่เหล็กและการบันทึกข้อมูล.
โคบอลต์-นิกเกิลอัลลอย: อัลลอยนี้มีสัมประสิทธิ์แมกเนโทสตริกชันปานกลาง (ประมาณ 20 ppm) แต่มีความแม่เหล็กสูงสุดสูงและอุณหภูมิคูรีสูง (ประมาณ 950 °C) นอกจากนี้ยังมีการสูญเสียฮิสเตอเรสิสและการสูญเสียกระแสวนต่ำ และมีความต้านทานการกัดกร่อนที่ดี.
เหล็ก-โคบอลต์อัลลอย: อัลลอยนี้มีสัมประสิทธิ์แมกเนโทสตริกชันปานกลาง (ประมาณ 30 ppm) แต่มีความแม่เหล็กสูงสุดสูงมากและอุณหภูมิคูรีสูง (ประมาณ 980 °C) นอกจากนี้ยังมีการสูญเสียฮิสเตอเรสิสและการสูญเสียกระแสวนต่ำ และมีคุณสมบัติเชิงกลที่ดี.
โคบอลต์-เหล็ก-วาเนเดียมอัลลอย (Permendur): อัลลอยนี้มีสัมประสิทธิ์แมกเนโทสตริกชันต่ำ (ประมาณ 5 ppm) แต่มีความแม่เหล็กสูงสุดสูงมากและอุณหภูมิคูรีสูงมาก (ประมาณ 1400 °C) นอกจากนี้ยังมีการสูญเสียฮิสเตอเรสิสและการสูญเสียกระแสวนต่ำ ทำให้เหมาะสมสำหรับการใช้งานพลังงานสูง.
เฟอร์ไรต์: เฟอร์ไรต์เป็นวัสดุเซรามิกที่ประกอบด้วยออกไซด์ของเหล็กและโลหะออกไซด์อื่นๆ เช่น ออกไซด์ของโคบอลต์หรือออกไซด์ของนิกเกิล พวกเขามีสัมประสิทธิ์แมกเนโทสตริกชันต่ำ (น้อยกว่า 10 ppm) แต่ก็มีความแม่เหล็กสูงสุดและความซึมผ่านแม่เหล็กต่ำ พวกเขามีการสูญเสียฮิสเตอเรสิสและการสูญเสียกระแสวนต่ำมาก ทำให้เหมาะสมสำหรับการใช้งานความถี่สูง พวกเขายังมีอุณหภูมิคูรีสูง (เหนือ 400 °C) และมีความต้านทานการกัดกร่อนที่ดี.
ธาตุหายาก: ธาตุหายากเป็นธาตุที่มีเลขอะตอมตั้งแต่ 57 ถึง 71 เช่น แลนทานัม, เซเรียม, นีโอไดเมียม, แซมาริอัม, กาดอลิเนียม, เทอร์เบียม, ดิสโปรเซียม, โฮลเมียม, เออร์เบียม, ธูเลียม, ยตเทอร์เบียม หรือลูเทเชียม พวกเขามีสัมประสิทธิ์แมกเนโทสตริกชันสูงมาก (สูงถึง 1000 ppm) แต่ก็มีการสูญเสียฮิสเตอเรสิสและการสูญเสียกระแสวนสูงมาก พวกเขามีความแม่เหล็กสูงสุดและความซึมผ่านแม่เหล็กปานกลาง แต่อุณหภูมิคูรีต่ำ (ต่ำกว่า 300 °C) พวกเขามักถูกใช้ร่วมกับโลหะหรือสารประกอบอื่นๆ เพื่อสร้างอัลลอยหรือสารประกอบระหว่างโลหะที่มีคุณสมบัติที่ดีขึ้น.
เทอร์เฟนอล-ดี: เทอร์เฟนอล-ดีเป็นสารประกอบระหว่างโลหะที่ประกอบด้วยเทอร์เบียม, เหล็ก, และดิสโปรเซียม ซึ่งมีสัมประสิทธิ์แมกเนโทสตริกชันสูงสุดที่เคยบันทึกไว้ (ประมาณ 2000 ppm) หมายความว่ามันสามารถสร้างความเค้นที่ใหญ่มากเมื่อถูกแม่เหล็ก นอกจากนี้ยังมีความแม่เหล็กสูงสุดสูงและอุณหภูมิคูรีสูง (ประมาณ 380 °C) อย่างไรก็ตาม ยังมีการสูญเสียฮิสเตอเรสิสและการสูญเสียกระแสวนสูงมาก ซึ่งจำกัดประสิทธิภาพและความถี่ที่สามารถทำงานได้ ยังต้องใช้สนามแม่เหล็กสูง (ประมาณ 800 kA/m) เพื่อให้ได้ความเค้นสูงสุด ซึ่งเพิ่มการใช้พลังงานและค่าใช้จ่าย.
กัลเฟนอล: กัลเฟนอลเป็นอัลลอยของเหล็กและแกลเลียม ซึ่งมีส่วนผสมประมาณ Fe81Ga19 มีสัมประสิทธิ์แมกเนโทสตริกชันปานกลาง (ประมาณ 250 ppm) แต่มีการสูญเสียฮิสเตอเรสิสและการสูญเสียกระแสวนต่ำมาก ทำให้มีประสิทธิภาพและทนทานกว่าเทอร์เฟนอล-ดี นอกจากนี้ยังมีความแม่เหล็กสูงสุดสูงและอุณหภูมิคูรีสูง (ประมาณ 700 °C) สามารถทำงานที่สนามแม่เหล็กต่ำ (ประมาณ 100 kA/m) และความถี่สูง (สูงถึง 10 kHz).
เมทกลาส: เมทกลาสเป็นกระจกโลหะที่ประกอบด้วยเหล็ก, บอรอน, ซิลิคอน และธาตุอื่นๆ มีสัมประสิทธิ์
