Tính chất co giãn từ: Một Đặc tính của Vật liệu Từ tính

Hiệu ứng magnetostriction được định nghĩa là tính chất của một số vật liệu từ mà khi chúng bị từ hóa bởi một trường từ bên ngoài, chúng sẽ thay đổi hình dạng hoặc kích thước. Sự thay đổi về kích thước hoặc chiều dài của vật liệu do magnetostriction phụ thuộc vào cường độ và hướng của trường từ được áp dụng, cũng như tính chất từ tính không đẳng hướng và cấu trúc tinh thể của vật liệu.

Magnetostriction có thể được sử dụng để chuyển đổi năng lượng điện từ thành năng lượng cơ học, hoặc ngược lại, và là cơ sở cho nhiều ứng dụng như bộ truyền động, cảm biến, bộ chuyển đổi, biến áp, động cơ, và máy phát điện.

Magnetostriction là gì?

Magnetostriction được phát hiện lần đầu tiên bởi James Joule vào năm 1842 khi ông quan sát thấy rằng một thanh sắt kéo dài nhẹ khi được từ hóa dọc theo chiều dài, và co lại nhẹ khi được từ hóa ngang chiều rộng. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Joule, và nó xảy ra trong hầu hết các vật liệu ferromagnetic (vật liệu có thể được từ hóa bởi một trường từ bên ngoài) và một số vật liệu ferrimagnetic (vật liệu có hai mạng từ đối lập).

Cơ chế vật lý đằng sau magnetostriction liên quan đến cấu trúc nội bộ của vật liệu từ, bao gồm các vùng vi mô được gọi là miền. Mỗi miền có một hướng từ hóa đồng nhất, được xác định bởi sự cân bằng giữa năng lượng từ tính không đẳng hướng (tính chất của vật liệu để căn chỉnh từ hóa theo một số hướng tinh thể cụ thể) và năng lượng từ tĩnh (tính chất của vật liệu để giảm thiểu cực từ của nó).

Khi một trường từ bên ngoài được áp dụng lên vật liệu từ, nó tạo ra lực xoắn lên các miền, khiến chúng xoay và căn chỉnh theo hướng của trường. Quá trình này liên quan đến việc di chuyển các tường miền (các ranh giới giữa các miền có hướng từ hóa khác nhau) và biến dạng của lưới tinh thể (sắp xếp của átôm trong vật liệu). Kết quả là, vật liệu thay đổi hình dạng hoặc kích thước theo độ co giãn magnetostrictive (thay đổi tỷ lệ chiều dài hoặc thể tích do magnetostriction).

Độ co giãn magnetostrictive phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chẳng hạn như:

• Cường độ và hướng của trường từ được áp dụng

• Từ hóa bão hòa (từ hóa tối đa có thể) của vật liệu

• Tính từ tính không đẳng hướng (sự ưu tiên cho các hướng từ hóa cụ thể) của vật liệu

• Sự kết hợp magnetoelastic (tương tác giữa từ hóa và độ co giãn đàn hồi) của vật liệu

• Nhiệt độ và trạng thái căng thẳng của vật liệu

Độ co giãn magnetostrictive có thể dương hoặc âm, tùy thuộc vào việc vật liệu nở ra hay co lại khi bị từ hóa. Một số vật liệu biểu hiện sự đảo dấu của độ co giãn magnetostrictive khi tiếp xúc với trường từ mạnh, điều này được gọi là sự đảo ngược Villari.

Độ co giãn magnetostrictive có thể được đo bằng nhiều phương pháp, như canh quang học, dây đo ứng suất, bộ chuyển đổi piezoelectric, hoặc kỹ thuật cộng hưởng. Tham số phổ biến nhất được sử dụng để đặc trưng cho magnetostriction là hệ số magnetostriction (còn được gọi là hệ số Joule), được định nghĩa là:

λ=LΔL

trong đó ΔL là sự thay đổi chiều dài của vật liệu khi từ hóa từ không đến bão hòa, và L là chiều dài ban đầu.

Vật liệu Magnetostrictive

Có nhiều vật liệu biểu hiện magnetostriction, nhưng một số trong số chúng có giá trị cao hơn và hiệu suất tốt hơn so với những vật liệu khác. Một số ví dụ về vật liệu magnetostrictive là:

• Sắt: Sắt là một trong những vật liệu magnetostrictive phổ biến và được sử dụng rộng rãi nhất, do có từ hóa bão hòa cao và chi phí thấp. Tuy nhiên, sắt cũng có một số nhược điểm, như hệ số magnetostriction thấp (khoảng 20 ppm), hao hụt hysteresis cao (năng lượng tiêu tán trong mỗi chu kỳ từ hóa), và hao hụt dòng dòng điện Foucault cao (năng lượng tiêu tán do dòng dòng điện gây ra trong vật liệu dẫn điện). Sắt cũng có nhiệt độ Curie thấp (nhiệt độ trên đó vật liệu mất đi tính ferromagnetic), điều này hạn chế việc sử dụng nó trong các ứng dụng nhiệt độ cao.

• Niken: Niken có hệ số magnetostriction cao hơn sắt (khoảng 60 ppm), nhưng cũng có hao hụt hysteresis và dòng điện Foucault cao hơn. Niken cũng có nhiệt độ Curie thấp (khoảng 360 °C) và dễ bị ăn mòn.

• Coban: Coban có hệ số magnetostriction trung bình (khoảng 30 ppm), nhưng từ hóa bão hòa cao và nhiệt độ Curie cao (khoảng 1120 °C). Coban cũng có hao hụt hysteresis và dòng điện Foucault thấp, phù hợp cho các ứng dụng tần số cao.

• Hợp kim Sắt-Nhôm (Alfer): Hợp kim này có hệ số magnetostriction cao (khoảng 100 ppm), từ hóa bão hòa cao, và nhiệt độ Curie cao (khoảng 800 °C). Nó cũng có hao hụt hysteresis và dòng điện Foucault thấp, và tính chất cơ học tốt. Tuy nhiên, nó khó chế tạo và yêu cầu xử lý nhiệt đặc biệt.

• Hợp kim Sắt-Niken (Permalloy): Hợp kim này có hệ số magnetostriction thấp (khoảng 1 ppm), nhưng từ hóa bão hòa cao và độ thấm từ cao (khả năng hỗ trợ trường từ nội bộ). Nó cũng có hao hụt hysteresis và dòng điện Foucault thấp, phù hợp cho các ứng dụng che chắn từ và ghi âm.

• Hợp kim Coban-Niken: Hợp kim này có hệ số magnetostriction trung bình (khoảng 20 ppm), nhưng từ hóa bão hòa cao và nhiệt độ Curie cao (khoảng 950 °C). Nó cũng có hao hụt hysteresis và dòng điện Foucault thấp, và khả năng chống ăn mòn tốt.

• Hợp kim Sắt-Coban: Hợp kim này có hệ số magnetostriction trung bình (khoảng 30 ppm), nhưng từ hóa bão hòa rất cao và nhiệt độ Curie cao (khoảng 980 °C). Nó cũng có hao hụt hysteresis và dòng điện Foucault thấp, và tính chất cơ học tốt.

• Hợp kim Coban-Sắt-Vanadi (Permendur): Hợp kim này có hệ số magnetostriction thấp (khoảng 5 ppm), nhưng từ hóa bão hòa rất cao và nhiệt độ Curie rất cao (khoảng 1400 °C). Nó cũng có hao hụt hysteresis và dòng điện Foucault thấp, phù hợp cho các ứng dụng công suất cao.

• Ferrit: Ferrit là vật liệu gốm được tạo thành từ oxit sắt và các oxit kim loại khác, như oxit coban hoặc oxit niken. Chúng có hệ số magnetostriction thấp (dưới 10 ppm), nhưng cũng có từ hóa bão hòa thấp và độ thấm từ thấp. Chúng có hao hụt hysteresis và dòng điện Foucault rất thấp, phù hợp cho các ứng dụng tần số cao. Chúng cũng có nhiệt độ Curie cao (trên 400 °C) và khả năng chống ăn mòn tốt.

• Nguyên tố đất hiếm: Nguyên tố đất hiếm là các nguyên tố có số điện tử từ 57 đến 71, như lanthanum, cerium, neodymium, samarium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium hoặc lutetium. Chúng có hệ số magnetostriction rất cao (lên đến 1000 ppm), nhưng cũng có hao hụt hysteresis và dòng điện Foucault rất cao. Chúng có từ hóa bão hòa và độ thấm từ trung bình, nhưng nhiệt độ Curie thấp (dưới 300 °C). Chúng thường được sử dụng kết hợp với các kim loại hoặc hợp chất khác để tạo thành hợp kim hoặc hợp chất intermetallic có tính chất cải thiện.

• Terfenol-D: Terfenol-D là hợp chất intermetallic được tạo thành từ terbium, sắt, và dysprosium. Nó có hệ số magnetostriction cao nhất từng được ghi nhận (khoảng 2000 ppm), có nghĩa là nó có thể tạo ra các biến dạng lớn khi từ hóa. Nó cũng có từ hóa bão hòa cao và nhiệt độ Curie cao (khoảng 380 °C). Tuy nhiên, nó cũng có hao hụt hysteresis và dòng điện Foucault rất cao, điều này hạn chế hiệu suất và dải tần số. Nó cũng yêu cầu một trường từ cao (khoảng 800 kA/m) để đạt được biến dạng tối đa, điều này tăng mức tiêu thụ năng lượng và chi phí.

• Galfenol: Galfenol là hợp kim của sắt và gallium, với thành phần khoảng Fe81Ga19. Nó có hệ số magnetostriction trung bình (khoảng 250 ppm), nhưng hao hụt hysteresis và dòng điện Foucault rất thấp, làm cho nó hiệu quả và bền hơn Terfenol-D. Nó cũng có từ hóa bão hòa cao và nhiệt độ Curie cao (khoảng 700 °C). Nó có thể hoạt động ở trường từ thấp (khoảng 100 kA/m) và tần số cao (lên đến 10 kHz).

• Metglas: Metglas là kính kim loại được tạo thành từ sắt, boron, silic, và các nguyên tố khác. Nó có hệ số magnetostriction thấp (khoảng 20 ppm), nhưng từ hóa bão hòa và độ thấm từ rất cao. Nó cũng có hao hụt hysteresis và dòng điện Foucault rất thấp, phù hợp cho các ứng