Magnetostriction: Isang Katangian ng mga Materyales na May Magnetismo
Ang magnetostriction ay inilalarawan bilang ang katangian ng ilang materyales na may magnetic na nagpapabago sa kanilang hugis o sukat kapag sila ay namagnetize ng isang panlabas na magnetic field. Ang pagbabago sa sukat o haba ng isang materyal dahil sa magnetostriction ay depende sa lakas at direksyon ng inilapat na magnetic field, kasama ang magnetic anisotropy at crystal structure ng materyal.
Ang magnetostriction ay maaaring gamitin upang i-convert ang electromagnetic energy sa mechanical energy, o kabaligtaran nito, at ito ang pundasyon para sa maraming aplikasyon tulad ng mga aktuator, sensor, transducer, transformers, motors, at generators.
Ano ang Magnetostriction?
Unang natuklasan ang magnetostriction ni James Joule noong 1842 nang siya ay nakamulat na ang isang bar ng bakal ay medyo lumaki kapag ito ay namagnetize sa kanyang haba, at medyo bumuntot kapag ito ay namagnetize sa kanyang lapad. Ang fenomeno na ito ay kilala bilang epekto ni Joule, at ito ay nangyayari sa karamihan ng ferromagnetic materials (materyales na maaaring namagnetize ng isang panlabas na field) at ilang ferrimagnetic materials (materyales na may dalawang magkasalungat na magnetic sublattices).
Ang pisikal na mekanismo sa likod ng magnetostriction ay nauugnay sa internal structure ng mga magnetic materials, na binubuo ng mga mikroskopikong rehiyon na tinatawag na domains. Bawat domain ay may uniform na magnetization direction, na itinutukoy ng balanse sa pagitan ng magnetic anisotropy energy (ang tendensya ng materyal na mag-align ang kanyang magnetization sa tiyak na crystal directions) at ang magnetostatic energy (ang tendensya ng materyal na minimahin ang kanyang magnetic poles).
Kapag inilapat ang isang panlabas na magnetic field sa isang magnetic material, ito ay nagbibigay ng torque sa mga domains, na nagdudulot sa kanila na umikot at mag-align sa direksyon ng field. Ang prosesong ito ay kasama ang paggalaw ng mga domain walls (ang hangganan sa pagitan ng mga domains na may iba't ibang magnetization directions) at ang deformation ng crystal lattice (ang pagkakaayos ng atoms sa materyal). Bilang resulta, ang materyal ay nagbabago ng hugis o sukat ayon sa kanyang magnetostrictive strain (ang fractional change sa haba o volume dahil sa magnetostriction).
Ang magnetostrictive strain ay depende sa ilang mga factor, tulad ng:
Ang laki at direksyon ng inilapat na magnetic field
Ang saturation magnetization (ang pinakamataas na posible na magnetization) ng materyal
Ang magnetic anisotropy (ang pagpipili sa ilang direksyon ng magnetization) ng materyal
Ang magnetoelastic coupling (ang interaksiyon sa pagitan ng magnetization at elastic strain) ng materyal
Ang temperatura at stress state ng materyal
Ang magnetostrictive strain maaaring positibo o negatibo, depende kung ang materyal ay lumalaki o bumabago nang pabilog kapag iminumulan. Ang ilang materyal ay nagpapakita ng pagbabago sa senyas ng kanilang magnetostrictive strain kapag ito ay naexpose sa mataas na magnetic fields, na kilala bilang Villari reversal.
Ang magnetostrictive strain maaaring sukatin gamit ang iba't ibang paraan, tulad ng optical interferometry, strain gauges, piezoelectric transducers, o resonant techniques. Ang pinakakaraniwang parameter na ginagamit upang ilarawan ang magnetostriction ay ang magnetostriction coefficient (na tinatawag din bilang Joule’s coefficient), na inilalarawan bilang:
λ=LΔL
kung saan ang ΔL ay ang pagbabago sa haba ng materyal kapag ito ay iminumulan mula sa zero hanggang sa saturation, at L naman ang orihinal na haba nito.
Mga Materyal na Magnetostrictive
Maraming materyal ang nagpapakita ng magnetostriction, ngunit ang ilan sa kanila ay may mas mataas na halaga at mas mahusay na performance kaysa sa iba. Ang ilang halimbawa ng mga materyal na magnetostrictive ay:
Bakal: Ang bakal ay isa sa mga pinaka-karaniwan at malawak na ginagamit na materyales na magnetostrictive, dahil sa mataas nitong saturation magnetization at mababang halaga. Gayunpaman, ang bakal ay may ilang mga kadahilanan, tulad ng mababang koepisyenteng magnetostriction (humigit-kumulang 20 ppm), mataas na hysteresis loss (ang enerhiyang nawawala sa bawat siklo ng pagmamagnetize), at mataas na eddy current loss (ang enerhiyang nawawala dahil sa induksiyon ng currents sa mga materyales na makonduktor sa loob ng materyal). Ang bakal ay may mababang Curie temperature (ang temperatura na sa itaas nito nawawalan ang materyal ng kanyang ferromagnetic mga katangian), na naglimita sa kanyang paggamit sa mga aplikasyon na may mataas na temperatura.
Nikel: Ang nikel ay may mas mataas na koepisyenteng magnetostriction kaysa sa bakal (humigit-kumulang 60 ppm), ngunit mayroon din itong mas mataas na hysteresis loss at eddy current loss. Ang nikel ay may mababang Curie temperature (humigit-kumulang 360 °C) at madaling mapaso.
Kobalto: Ang kobalto ay may moderadong koepisyenteng magnetostriction (humigit-kumulang 30 ppm), ngunit may mataas na saturation magnetization at mataas na Curie temperature (humigit-kumulang 1120 °C). Ang kobalto ay may mababang hysteresis loss at eddy current loss, na nagpapahusay sa kanyang paggamit para sa mga aplikasyon na may mataas na frequency.
Bakal-Aluminyum Alloy (Alfer): Ang alloy na ito ay may mataas na koepisyenteng magnetostriction (humigit-kumulang 100 ppm), mataas na saturation magnetization, at mataas na Curie temperature (humigit-kumulang 800 °C). Mayroon itong mababang hysteresis loss at eddy current loss, at magandang mechanical properties. Gayunpaman, mahirap itong gawin at nangangailangan ng espesyal na heat treatment.
Bakal-Nikel Alloy (Permalloy): Ang alloy na ito ay may mababang koepisyenteng magnetostriction (humigit-kumulang 1 ppm), ngunit may mataas na saturation magnetization at mataas na permeability (ang kakayahan ng isang materyal na suportahan ang isang internal magnetic field). Mayroon itong mababang hysteresis loss at eddy current loss, na nagpapahusay sa kanyang paggamit para sa magnetic shielding at recording applications.
Kobalto-Nikel Alloy: Ang alloy na ito ay may moderadong koepisyenteng magnetostriction (humigit-kumulang 20 ppm), ngunit may mataas na saturation magnetization at mataas na Curie temperature (humigit-kumulang 950 °C). Mayroon itong mababang hysteresis loss at eddy current loss, at magandang corrosion resistance.
Bakal-Kobalto Alloy: Ang alloy na ito ay may moderadong koepisyenteng magnetostriction (humigit-kumulang 30 ppm), ngunit may napakataas na saturation magnetization at mataas na Curie temperature (humigit-kumulang 980 °C). Mayroon itong mababang hysteresis loss at eddy current loss, at magandang mechanical properties.
Kobalto-Bakal-Vanadio Alloy (Permendur): Ang alloy na ito ay may mababang koepisyenteng magnetostriction (humigit-kumulang 5 ppm), ngunit may napakataas na saturation magnetization at napakataas na Curie temperature (humigit-kumulang 1400 °C). Mayroon itong mababang hysteresis loss at eddy current loss, na nagpapahusay sa kanyang paggamit para sa high-power applications.
Rare Earths: Ang mga rare earths ay mga elemento na may atomic numbers mula 57 hanggang 71, tulad ng lanthanum, cerium, neodymium, samarium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium o lutetium. May napakataas na magnetostriction coefficients sila (hanggang 1000 ppm), ngunit may din napakataas na hysteresis loss at eddy current loss. May katamtamang saturation magnetization at permeability sila, ngunit mababang Curie temperatures (mababa sa 300 °C). Karaniwang ginagamit sila kasama ng iba pang mga metal o compounds upang lumikha ng mga alloy o intermetallics na may mas mahusay na properties.
Terfenol-D: Ang Terfenol-D ay isang intermetallic compound na binubuo ng terbium, iron, at dysprosium. May pinakamataas na magnetostriction coefficient ito na naitala (humigit-kumulang 2000 ppm), na nangangahulugan na maaari itong bumuo ng napakalaking strains kapag inilapat ang magnetic field. May din mataas na saturation magnetization at mataas na Curie temperature (humigit-kumulang 380 °C). Gayunpaman, may din napakataas na hysteresis loss at eddy current loss ito, na nagpapahigpit sa kanyang efficiency at frequency range. Kailangan din nito ng mataas na magnetic field (humigit-kumulang 800 kA/m) upang maabot ang maximum strain nito, na nagdudulot ng pagtaas ng power consumption at cost.
Galfenol: Ang Galfenol ay isang alloy ng iron at gallium, na may komposisyon na humigit-kumulang Fe81Ga19. May katamtamang magnetostriction coefficient ito (humigit-kumulang 250 ppm), ngunit may napakababang hysteresis loss at eddy current loss, na nagbibigay dito ng mas mahusay na efficiency at durability kaysa sa Terfenol-D. May din mataas na saturation magnetization at mataas na Curie temperature (humigit-kumulang 700 °C). Maaari itong gumana sa mababang magnetic fields (humigit-kumulang 100 kA/m) at mataas na frequencies (hanggang 10 kHz).
Metglas: Ang Metglas ay isang metallic glass na binubuo ng iron, boron, silicon, at iba pang mga elemento. May mababang magnetostriction coefficient ito (humigit-kumulang 20 ppm), ngunit may napakataas na saturation magnetization at napakataas na permeability. May din napakababang hysteresis loss at eddy current loss ito, kaya ideyal ito para sa magnetic shielding at power conversion applications.
Ferrites: Ang mga ferrite ay mga materyales na ceramic na binubuo ng oksido ng bakal at iba pang metal na oksido, tulad ng cobalt oxide o nickel oxide. May mababang magnetostriction coefficients sila (mas mababa sa 10 ppm), ngunit may din mababang saturation magnetization at mababang permeability. May napakababang hysteresis loss at eddy current loss sila, kaya ideyal sila para sa high-frequency applications. May mataas ding Curie temperatures sila (higit sa 400 °C) at magandang corrosion resistance.
Mga Application ng Magnetostriction
Ang magnetostriction ay may maraming application sa iba't ibang larangan, tulad ng:
Actuators: Ang mga actuator ay mga device na nagsasaling electrical energy sa mechanical motion, o vice versa. Ang mga magnetostrictive actuator ay gumagamit ng magnetostrictive materials upang bumuo ng linear o rotary motion kapag inilapat ang magnetic field o upang bumuo ng magnetic field kapag inilapat ang mechanical stress. Ang mga magnetostrictive actuator ay may mga advantage sa iba pang uri ng actuators, tulad ng piezoelectric o electrostatic actuators, sa aspeto ng mas mataas na force, mas malaking displacement, mas mabilis na response, mas mababang power consumption, mas simple na disenyo, at mas matagal na lifetime.
Sensors: Ang mga sensor ay mga device na nagsusukat ng physical quantities, tulad ng force, pressure, temperature, displacement, o magnetic field. Ang mga magnetostrictive sensor ay gumagamit ng magnetostrictive materials upang detektoin ang mga pagbabago sa mga quantity na ito sa pamamagitan ng pagsukat ng induced strain o magnetization sa materyal. Ang mga magnetostrictive sensor ay may mga advantage sa iba pang uri ng sensors, tulad ng strain gauges o capacitive sensors, sa aspeto ng mas mataas na sensitivity, accuracy, stability, reliability, at durability.
Transducers: Ang mga transducer ay mga aparato na nagpapalit ng isang anyo ng enerhiya sa isa pa, tulad ng tunog o ultrasound. Ang mga magnetostrictive transducer ay gumagamit ng mga materyales na magnetostrictive upang makalikha o tumanggap ng mga acoustic waves sa pamamagitan ng pag-apply o pag-detect ng magnetic field sa materyal. Ang mga magnetostrictive transducer ay may mga abilidad kumpara sa iba pang mga uri ng transducer, tulad ng piezoelectric o electroacoustic transducer, sa aspeto ng mas mataas na power output, mas malawak na bandwidth, mas mababang distortion, at mas mahusay na impedance matching.
Transformers: Ang mga transformer ay mga aparato na nagpapalipat ng electrical energy mula sa isang circuit patungo sa isa pa sa pamamagitan ng electromagnetic induction. Ang mga magnetostrictive transformer ay gumagamit ng mga materyales na magnetostrictive upang palakasin ang coupling sa pagitan ng primary at secondary coils sa pamamagitan ng pagbabago ng hugis o laki ng core material batay sa input current o voltage. Ang mga magnetostrictive transformer ay may mga abilidad kumpara sa conventional transformers sa aspeto ng mas mataas na efficiency, mas mababang timbang, mas maliit na sukat, at mas mababang ingay.
Motors and Generators: Ang mga motor ay mga aparato na nagpapalit ng electrical energy sa mechanical motion, samantalang ang mga generator ay mga aparato na nagpapalit ng mechanical motion sa electrical energy. Ang mga magnetostrictive motors at generators ay gumagamit ng mga materyales na magnetostrictive upang makalikha o mangani ng rotational motion sa pamamagitan ng pag-apply o pag-extract ng magnetic field sa materyal. Ang mga magnetostrictive motors at generators ay may mga abilidad kumpara sa conventional motors at generators sa aspeto ng mas mataas na torque, mas mababang bilis, mas simple na disenyo, at mas mababang maintenance.
Magnetostriction Effects
Ang magnetostriction ay may ilang epekto na may kaugnayan sa interaksyon nito sa mechanical stress o torque, tulad ng:
Villari Effect: Ito ang kabaligtaran ng magnetostriction, kung saan ang magnetic susceptibility (ang antas ng magnetization sa tugon sa isang inilapat na field) ng materyal ay nagbabago kapag ito ay inilapat ng mechanical stress. Ang epektong ito ay maaaring gamitin upang sukatin ang stress o strain sa isang materyal sa pamamagitan ng pag-detect ng magnetic output nito.
Matteucci Effect: Ito ang paglikha ng helical anisotropy (ang pabor para sa tiyak na direksyon ng magnetization kasama ng spiral) ng susceptibility ng isang magnetostrictive material kapag ito ay inilapat ng isang torque. Ang epektong ito ay maaaring gamitin upang sukatin ang torque o angular displacement sa isang materyal sa pamamagitan ng pag-apply o pag-detect ng magnetic field.
Wiedemann Effect: Ito ang pag-twist ng isang magnetostrictive material kapag isinagawa ang isang helical magnetic field dito. Ang epektong ito ay maaaring gamitin upang makalikha o mangani ng rotational motion sa isang materyal sa pamamagitan ng pag-apply o pag-extract ng magnetic field.
Conclusion
Ang magnetostriction ay isang katangian ng ilang materyales na may magnetic na nagdudulot sa kanila na magbago ang hugis o sukat kapag sila ay namagnetize ng isang panlabas na magnetic field. Ang magnetostriction ay maaaring sukatin gamit ang magnetostriction coefficient, na ang fractional change sa haba o volume dahil sa magnetostriction.
May maraming aplikasyon ang magnetostriction sa iba't ibang larangan, tulad ng mga aktuator, sensor, transducer, transformer, motor, at generator, kung saan ito ay maaaring gamitin upang i-convert ang enerhiya sa pagitan ng magnetic at elastic states, o vice versa.
May ilang epekto rin ang magnetostriction na nauugnay sa interaksiyon nito sa mekanikal na stress o torque, tulad ng Villari effect, Matteucci effect, at Wiedemann effect, kung saan ito ay maaaring gamitin upang sukatin o lumikha ng stress, strain, torque, angular displacement, o rotational motion.
Ang mga materyal na magnetostrictive ay mga materyal na ipinapakita ang magnetostriction, at sila ay nag-iiba-iba sa kanilang magnetostriction coefficients, saturation magnetization, magnetic anisotropy, Curie temperature, hysteresis loss, at eddy current loss. Ang ilang halimbawa ng magnetostrictive materials ay iron, nickel, cobalt, iron-aluminum alloy (Alfer), iron-nickel alloy (Permalloy), cobalt-nickel alloy, iron-cobalt alloy, cobalt-iron-vanadium alloy (Permendur), ferrites, rare earth, at kanilang mga alloy o compounds (tulad ng Terfenol-D at Galfenol), at metallic glasses (tulad ng Metglas).
Ang magnetostriction ay isang kahanga-hangang phenomenon na nagpapakita ng interplay sa pagitan ng magnetism at mechanics sa materials science. May maraming potensyal na aplikasyon ito sa iba't ibang larangan na nangangailangan ng mataas na performance at efficiency sa energy conversion at transmission.
Pahayag: Igalang ang orihinal, mahusay na mga artikulo na karapat-dapat na ibahagi, kung may infringement pakiusap lumapit upang tanggalin.
