Магнетострикція: Властивість магнітних матеріалів
Магністрікція визначається як властивість деяких магнітних матеріалів, що змушує їх змінювати форму або розміри, коли вони намагнічувуються зовнішнім магнітним полем. Зміна розміру або довжини матеріалу через магністрікцію залежить від сили та напрямку прикладеного магнітного поля, а також від магнітної анізотропії та кристалічної структури матеріалу.
Магністрікцію можна використовувати для перетворення електромагнітної енергії на механічну, і навпаки, і це є основою багатьох застосувань, таких як актуатори, датчики, трансдуктори, трансформатори, двигуни та генератори.
Що таке магністрікція?
Магністрікцію вперше виявив Джеймс Джоуль у 1842 році, коли він спостеріг, що залізна прутка трохи удовжилась, коли була намагнітована вздовж своєї довжини, і трохи скоротилася, коли була намагнітована поперек своєї ширини. Цей феномен відомий як ефект Джоуля, і він відбувається у більшості феромагнітних матеріалів (матеріалів, які можна намагнічувати зовнішнім полем) та деяких феррімагнітних матеріалів (матеріалів, які мають два протилежні магнітні підмережі).
Фізичний механізм магністрікції пов'язаний з внутрішньою структурою магнітних матеріалів, яка складається з мікрокопій, називається домени. Кожен домен має однорідний напрямок намагніченості, який визначається балансом між магнітною анізотропією (тенденцією матеріалу вирівнювати свою намагніченість вздовж певних кристалічних напрямків) та магнітостатичною енергією (тенденцією матеріалу мінімізувати свої магнітні полюси).
Коли до магнітного матеріалу прикладається зовнішнє магнітне поле, воно викликає момент сил на домени, що змушує їх обертатися та вирівнюватися з напрямком поля. Цей процес включає рух меж доменів (меж між доменами з різними напрямками намагніченості) та деформацію кристалічної ґратки (розташування атомів у матеріалі). В результаті матеріал змінює свою форму або розміри відповідно до свого магністріктивного напруження (дробового зміни довжини або об'єму через магністрікцію).
Магністріктивне напруження залежить від декількох факторів, таких як:
Величина та напрямок прикладеного магнітного поля
Насичена намагніченість (максимально можлива намагніченість) матеріалу
Магнітна анізотропія (предпочитання певних напрямків намагніченості) матеріалу
Магнітоеластичне зв'язування (взаємодія між намагніченістю та еластичним напруженням) матеріалу
Температура та напружений стан матеріалу
Магністріктивне напруження може бути додатним або від'ємним, залежно від того, чи розширюється чи скорочується матеріал при намагнічуванні. Деякі матеріали демонструють зміну знаку свого магністріктивного напруження при впливі сильних магнітних полів, що відомо як перевернення Вілярі.
Магністріктивне напруження можна вимірювати різними методами, такими як оптична інтерферометрія, датчик напружень, п'єзоелектричні трансдуктори або резонансні методи. Найпоширеніший параметр, який використовується для характеристики магністрікції, — це коефіцієнт магністрікції (також відомий як коефіцієнт Джоуля), який визначається як:
λ=LΔL
де ΔL — зміна довжини матеріалу при намагнічуванні від нуля до насичення, а L — його початкова довжина.
Магністріктивні матеріали
Існує багато матеріалів, які демонструють магністрікцію, але деякі з них мають більш високі значення та кращі властивості, ніж інші. Нижче наведено деякі приклади магністріктивних матеріалів:
Залізо: Залізо — один з найпоширеніших та широко використовуваних магністріктивних матеріалів завдяки своїй високій насиченій намагніченості та низькій вартості. Однак, залізо має також деякі недоліки, такі як низький коефіцієнт магністрікції (близько 20 ppm), висока гістерезисна втрата (енергія, що розсіюється під час кожного циклу намагнічування), та висока втрата через зворотні струми (енергія, що розсіюється через викликані струми в провідних матеріалах). Залізо також має низьку температуру Курі (температура, над якою матеріал втрачає свої феромагнітні властивості), що обмежує його використання в високотемпературних застосуваннях.
Нікель: Нікель має більший коефіцієнт магністрікції, ніж залізо (близько 60 ppm), але також вищу гістерезисну втрату та втрату через зворотні струми. Нікель також має низьку температуру Курі (близько 360 °C) та піддається корозії.
Кобальт: Кобальт має середній коефіцієнт магністрікції (близько 30 ppm), але високу насичену намагніченість та високу температуру Курі (близько 1120 °C). Кобальт також має низьку гістерезисну втрату та втрату через зворотні струми, що робить його придатним для високочастотних застосувань.
Алюмінієво-залізна сплав (Альфер): Цей сплав має високий коефіцієнт магністрікції (близько 100 ppm), високу насичену намагніченість та високу температуру Курі (близько 800 °C). Він також має низьку гістерезисну втрату та втрату через зворотні струми, та хороші механічні властивості. Однак, його важко виготовляти, і він потребує спеціальної термічної обробки.
Сплав заліза та никелю (Пермаллої): Цей сплав має низький коефіцієнт магністрікції (близько 1 ppm), але високу насичену намагніченість та високу проникність (здатність матеріалу підтримувати внутрішнє магнітне поле). Він також має низьку гістерезисну втрату та втрату через зворотні струми, що робить його ідеальним для магнітного екранування та запису.
Сплав кобальту та никелю: Цей сплав має середній коефіцієнт магністрікції (близько 20 ppm), але високу насичену намагніченість та високу температуру Курі (близько 950 °C). Він також має низьку гістерезисну втрату та втрату через зворотні струми, та добре стійкий до корозії.
Сплав заліза та кобальту: Цей сплав має середній коефіцієнт магністрікції (близько 30 ppm), але дуже високу насичену намагніченість та високу температуру Курі (близько 980 °C). Він також має низьку гістерезисну втрату та втрату через зворотні струми, та хороші
