Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Магнитострикция (ср. Электрострикция ) - это свойство магнитных материалов, которое заставляет их изменять свою форму или размеры в процессе намагничивания . Изменение намагниченности материалов из-за приложенного магнитного поля изменяет магнитострикционную деформацию до достижения значения насыщения λ . Эффект был впервые обнаружен в 1842 году Джеймсом Джоулем при наблюдении за образцом железа . [1]

Этот эффект вызывает потерю энергии из-за нагрева от трения в чувствительных ферромагнитных сердечниках. Эффект также отвечает за низкий гудящий звук, который можно услышать от трансформаторов, где колеблющиеся токи переменного тока создают изменяющееся магнитное поле. [2]

Объяснение [ править ]

Внутри ферромагнитные материалы имеют структуру, которая разделена на домены , каждый из которых представляет собой область однородной намагниченности. При приложении магнитного поля границы между доменами смещаются и они вращаются; оба эти эффекта вызывают изменение размеров материала. Причина, по которой изменение магнитных доменов материала приводит к изменению размеров материала, является следствием магнитокристаллической анизотропии : для намагничивания кристаллического материала в одном направлении требуется больше энергии, чем в другом. Если магнитное поле приложено к материалу под углом к ​​легкой оси намагничивания, материал будет стремиться перестроить свою структуру так, чтобы легкая ось была выровнена с полем, чтобы минимизировать свободную энергию.системы. Поскольку разные направления кристаллов связаны с разной длиной, этот эффект вызывает деформацию материала. [3]

Обратный эффект, изменение магнитной восприимчивости (реакции на приложенное поле) материала при воздействии механического напряжения, называется эффектом Виллари . Два других эффекта связаны с магнитострикцией: эффект Маттеуччи - это создание спиральной анизотропии восприимчивости магнитострикционного материала при воздействии крутящего момента, а эффект Видемана - скручивание этих материалов при приложении к ним спирального магнитного поля.

Инверсия Виллари - это изменение знака магнитострикции железа с положительного на отрицательный при воздействии магнитных полей примерно 40 кА / м.

При намагничивании магнитный материал претерпевает небольшие изменения объема: порядка 10 −6 .

Петля магнитострикционного гистерезиса [ править ]

Петля магнитострикционного гистерезиса феррита Mn-Zn для силовых приложений, измеряемых полупроводниковыми тензодатчиками

Как и плотность потока , магнитострикция также имеет гистерезис в зависимости от силы намагничивающего поля. Форму этой петли гистерезиса (называемой «петлей стрекозы») можно воспроизвести с помощью модели Джайлса-Атертона . [4]

Магнитострикционные материалы [ править ]

Вырез преобразователя, содержащего: магнитострикционный материал (внутри), намагничивающую катушку и магнитный кожух, замыкающий магнитную цепь (снаружи)

Магнитострикционные материалы могут преобразовывать магнитную энергию в кинетическую или наоборот, и используются для создания исполнительных механизмов и датчиков . Свойство можно количественно оценить с помощью коэффициента магнитострикции λ, который может быть положительным или отрицательным и определяется как частичное изменение длины при увеличении намагниченности материала от нуля до значения насыщения . Эффект отвечает за знакомый « электрический гул » ( Слушай ( справка · информация ) ), который можно услышать возле трансформаторов и мощных электрических устройств. 

Кобальт демонстрирует самую большую магнитострикцию чистого элемента при комнатной температуре при 60 микродеформациях . Среди сплавов самую высокую известную магнитострикцию демонстрирует терфенол-D (Ter для тербия , Fe для железа , NOL для лаборатории военно-морской артиллерии и D для диспрозия ). Терфенол-D, Tb x Dy 1-x Fe 2 , проявляет около 2000 микродеформаций в поле 160 кА / м (2 кЭ) при комнатной температуре и является наиболее часто используемым магнитострикционным материалом в технике. [5] Галфенол , Fe x Ga 1-x и Альфер, Fe х Al 1-х , более новые сплавы , которые обладают 200-400 микродеформации при более низких прикладных областях (~ 200 Э) и имеют улучшенные механические свойства из хрупкого Terfenol-D. Оба этих сплава имеют <100> легкие оси для магнитострикции и демонстрируют достаточную пластичность для применения в датчиках и исполнительных механизмах. [6]

Схема нитевидного датчика потока, разработанного с использованием тонколистовых магнитострикционных сплавов.

Другим очень распространенным магнитострикционным композитом является аморфный сплав Fe 81 Si 3,5 B 13,5 C 2 с торговым названием Metglas 2605SC. Благоприятными свойствами этого материала являются его высокая константа магнитострикции насыщения λ, составляющая около 20 микродеформаций и более, в сочетании с низкой напряженностью поля магнитной анизотропии , H A , менее 1 кА / м (для достижения магнитного насыщения ). Metglas 2605SC также демонстрирует очень сильный ΔE-эффект со снижением эффективного модуля Юнга примерно до 80% в массе. Это помогает создавать энергоэффективные магнитныеМЭМС . [ необходима цитата ]

Феррит кобальта , CoFe 2 O 4 (CoO · Fe 2 O 3 ), также в основном используется для магнитострикционных применений, таких как датчики и исполнительные механизмы, благодаря своей высокой магнитострикции насыщения (~ 200 частей на миллион). [7] В отсутствие редкоземельных элементов он является хорошей заменой терфенолу-D . [8] Кроме того, его магнитострикционные свойства можно регулировать, создавая магнитную одноосную анизотропию. [9] Это может быть сделано с помощью магнитного отжига, [10] уплотнения с помощью магнитного поля [11] или реакции под одноосным давлением. [12]Преимущество этого последнего решения в том, что оно является сверхбыстрым (20 мин) благодаря использованию искрового плазменного спекания .

В ранних преобразователях сонара во время Второй мировой войны никель использовался в качестве магнитострикционного материала. Для того, чтобы облегчить дефицит никеля, японский флот использовал железо - алюминиевый сплав , из Alperm семьи.

Механическое поведение магнитострикционных сплавов [ править ]

Влияние микроструктуры на упругую деформацию [ править ]

Монокристаллические сплавы демонстрируют превосходную микродеформацию, но подвержены текучести из-за анизотропных механических свойств большинства металлов. Было замечено, что для поликристаллических сплавов с большой площадью покрытия предпочтительных зерен для микродеформации механические свойства ( пластичность ) магнитострикционных сплавов могут быть значительно улучшены. Целевые этапы металлургической обработки способствуют аномальному росту зерен {011} в тонких листах гальфенола и альфенола , которые содержат две простые оси для выравнивания магнитных доменов во время магнитострикции. Это может быть достигнуто путем добавления частиц , таких как борид виды [13]и карбид ниобия ( Nb C ) [14] во время начального кокильного литья слитка .

Для поликристаллического сплава установленная формула магнитострикции λ на основе известных измерений направленной микродеформации: [15]

λ s = 1/5 (2λ 100 + 3λ 111 )

Магнитострикционный сплав деформирован до разрушения.

Во время последующих стадий горячей прокатки и рекристаллизации происходит упрочнение частиц, при котором частицы создают «закрепляющую» силу на границах зерен, которая препятствует нормальному ( стохастическому ) росту зерен на стадии отжига с помощью атмосферы H 2 S. Таким образом, можно получить монокристаллическую текстуру (покрытие зерен ~ 90% {011}), уменьшая помехи при выравнивании магнитных доменов и увеличивая микродеформации, достигаемые для поликристаллических сплавов, как измерено полупроводниковыми датчиками деформации . [16] Эти текстуры поверхности можно визуализировать с помощью дифракции обратного рассеяния электронов. (EBSD) или связанные с ними дифракционные методы.

Сжимающее напряжение, чтобы вызвать выравнивание домена [ править ]

Для приводов максимальное вращение магнитных моментов приводит к максимально возможной выходной магнитострикции. Это может быть достигнуто с помощью таких методов обработки, как отжиг под напряжением и отжиг в полевых условиях. Однако к тонким листам также могут применяться механические предварительные напряжения, чтобы вызвать выравнивание перпендикулярно срабатыванию, пока напряжение ниже предела продольного изгиба. Например, было продемонстрировано, что приложенное предварительное напряжение сжатия до ~ 50 МПа может привести к увеличению магнитострикции на ~ 90%. Предполагается, что это происходит из-за «скачка» в начальном выравнивании доменов перпендикулярно приложенному напряжению и улучшенного окончательного выравнивания параллельно приложенному напряжению. [17]

Основное поведение магнитострикционных материалов [ править ]

Эти материалы обычно демонстрируют нелинейное поведение при изменении приложенного магнитного поля или напряжения. Для малых магнитных полей достаточно линейного пьезомагнитного конститутивного поведения [18] . Нелинейное магнитное поведение фиксируется с помощью классической макроскопической модели, такой как модель Прейзаха [19] и модель Джайлса-Атертона. [20] Для регистрации магнитомеханического поведения Армстронг [21] предложил подход «среднего значения энергии». Совсем недавно Wahi et al. [22] предложили вычислительно эффективную конститутивную модель, в которой конститутивное поведение фиксируется с использованием схемы «локальной линеаризации».

См. Также [ править ]

  • Электромагнитный акустический шум и вибрация
  • Обратный магнитострикционный эффект
  • Эффект Видемана - скручивающая сила, вызванная магнитострикцией.
  • Магнитомеханические эффекты для набора похожих эффектов
  • Магнитокалорический эффект
  • Электрострикция
  • Пьезоэлектричество
  • Пьезомагнетизм
  • SoundBug
  • FeONIC - разработчик аудиопродукции с использованием магнитострикции.
  • Терфенол-Д
  • Галфенол
  • Электронное наблюдение за товарами - использование магнитострикции для предотвращения кражи в магазинах

Ссылки [ править ]

  1. ^ Джоуль, JP (1847). «О влиянии магнетизма на размеры железных и стальных стержней» . Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал . 30, третья серия: 76–87, 225–241 . Проверено 19 июля 2009 .В этой статье Джоуль заметил, что он впервые сообщил об измерениях в «беседке» в Манчестере, Англия, в Джоуль, Джеймс (1842 г.). «О новом классе магнитных сил». Анналы электричества, магнетизма и химии . 8 : 219–224.
  2. ^ Вопросы и ответы по повседневным научным явлениям . Sctritonscience.com. Проверено 11 августа 2012.
  3. ^ Джеймс, RD; Вуттиг, Манфред (12 августа 2009 г.). «Магнитострикция мартенсита». Философский журнал . 77 (5): 1273–1299. DOI : 10.1080 / 01418619808214252 .
  4. ^ Шевчик, R. (2006). «Моделирование магнитных и магнитострикционных свойств высокопроницаемых Mn-Zn ферритов». ПРАМАНА-Физический журнал . 67 (6): 1165–1171. Bibcode : 2006Prama..67.1165S . DOI : 10.1007 / s12043-006-0031-Z . S2CID 59468247 . 
  5. ^ «Магнитострикционные и магнитострикционные материалы» . Лаборатория активных материалов . UCLA . Архивировано из оригинала на 2006-02-02.
  6. ^ Парк, Чон Джин; На, Суок-Мин; Рагхунатх, Ганеш; Flatau, Элисон Б. (март 2016 г.). «Вызванная напряжением отжига магнитная анизотропия в высокотекстурированных магнитострикционных полосах Fe-Ga и Fe-Al для сборщиков энергии колебаний изгибного режима» . AIP продвигается . 6 (5): 056221. Bibcode : 2016AIPA .... 6e6221P . DOI : 10.1063 / 1.4944772 .
  7. ^ Olabi, AG; Грюнвальд, А. (январь 2008 г.). «Дизайн и применение магнитострикционных материалов» (PDF) . Материалы и дизайн . 29 (2): 469–483. DOI : 10.1016 / j.matdes.2006.12.016 .
  8. ^ Turtelli, R Sato; Kriegisch, M; Атиф, М; Грёссингер, Р. (17 июня 2014 г.). «Коферрит - материал с интересными магнитными свойствами» . Серия конференций IOP: Материаловедение и инженерия . 60 (1): 012020. Bibcode : 2014MS & E ... 60a2020T . DOI : 10,1088 / 1757-899X / 60/1/012020 .
  9. ^ Слончевским, JC (15 июня 1958). «Происхождение магнитной анизотропии в кобальтзамещенном магнетите». Физический обзор . 110 (6): 1341–1348. Bibcode : 1958PhRv..110.1341S . DOI : 10.1103 / PhysRev.110.1341 .
  10. ^ Lo, CCH; Кольцо, AP; Снайдер, Дж. Э .; Джайлс, округ Колумбия (октябрь 2005 г.). «Улучшение магнитомеханических свойств феррита кобальта магнитным отжигом». IEEE Transactions on Magnetics . 41 (10): 3676–3678. Bibcode : 2005ITM .... 41.3676L . DOI : 10,1109 / TMAG.2005.854790 . S2CID 45873667 . 
  11. ^ Ван, Цзицюань; Гао, Сюэсюй; Юань, Чао; Ли, Цзихэн; Бао, Сяоцянь (март 2016 г.). «Магнитострикционные свойства ориентированного поликристаллического CoFe 2 O 4». Журнал магнетизма и магнитных материалов . 401 : 662–666. Bibcode : 2016JMMM..401..662W . DOI : 10.1016 / j.jmmm.2015.10.073 .
  12. ^ Обер, А .; Loyau, V .; Mazaleyrat, F .; Лобуэ, М. (август 2017 г.). «Одноосная анизотропия и усиленная магнитострикция CoFe 2 O 4, вызванная реакцией под одноосным давлением с SPS» . Журнал Европейского керамического общества . 37 (9): 3101–3105. arXiv : 1803.09656 . DOI : 10.1016 / j.jeurceramsoc.2017.03.036 . S2CID 118914808 . 
  13. ^ Ли, JH; Гао, XX; Се, JX; Юань, C .; Zhu, J .; Ю. РБ (июль 2012 г.). «Рекристаллизационное поведение и магнитострикция под давлением предварительного сжатия листов Fe – Ga – B». Интерметаллиды . 26 : 66–71. DOI : 10.1016 / j.intermet.2012.02.019 .
  14. ^ Na, SM .; Flatau, AB (май 2014 г.). «Эволюция текстуры и распределение вероятностей ориентации Госса в листах магнитострикционного сплава Fe – Ga». Журнал материаловедения . 49 (22): 7697–7706. Bibcode : 2014JMatS..49.7697N . DOI : 10.1007 / s10853-014-8478-7 . S2CID 136709323 . 
  15. ^ Grössinger, R .; Turtelli, R. Sato; Махмуд, Н. (2014). «Материалы с высокой магнитострикцией» . Серия конференций IOP: Материаловедение и инженерия . 60 (1): 012002. Bibcode : 2014MS & E ... 60a2002G . DOI : 10,1088 / 1757-899X / 60/1/012002 .
  16. ^ Na, SM .; Flatau, AB (май 2014 г.). «Эволюция текстуры и распределение вероятностей ориентации Госса в листах магнитострикционного сплава Fe – Ga». Журнал материаловедения . 49 (22): 7697–7706. Bibcode : 2014JMatS..49.7697N . DOI : 10.1007 / s10853-014-8478-7 . S2CID 136709323 . 
  17. ^ Даунинг, Дж; Na, SM; Flatau, A (январь 2017 г.). «Влияние предварительного напряжения сжатия на магнитострикционное поведение высокотекстурированных тонких листов галфенола и альфенола» . AIP продвигается . 7 (5): 056420. Bibcode : 2017AIPA .... 7e6420D . DOI : 10.1063 / 1.4974064 . 056420.
  18. ^ Isaak D, Mayergoyz (1999). Справочник по гигантским магнитострикционным материалам . Эльзевир.
  19. ^ Прейзаха, F. (май 1935). "Über die magnetische Nachwirkung" . Zeitschrift für Physik (на немецком языке). 94 (5–6): 277–302. DOI : 10.1007 / BF01349418 . ISSN 1434-6001 . S2CID 122409841 .  
  20. ^ Джайлз, округ Колумбия; Атертон, DL (1984-03-15). «Теория ферромагнитного гистерезиса (приглашенный)» . Журнал прикладной физики . 55 (6): 2115–2120. Bibcode : 1984JAP .... 55.2115J . DOI : 10.1063 / 1.333582 . ISSN 0021-8979 . 
  21. ^ Армстронг, Уильям Д. (1997-04-15). «Вспышка магнитострикции в Tb0.3Dy0.7Fe1.9» . Журнал прикладной физики . 81 (8): 3548–3554. Bibcode : 1997JAP .... 81.3548A . DOI : 10.1063 / 1.364992 . ISSN 0021-8979 . 
  22. ^ Вахи, Саджан К .; Кумар, Маник; Сантапури, сушма; Дапино, Марсело Дж. (07.06.2019). «Вычислительно эффективная локально линеаризованная конститутивная модель для магнитострикционных материалов» . Журнал прикладной физики . 125 (21): 215108. Bibcode : 2019JAP ... 125u5108W . DOI : 10.1063 / 1.5086953 . ISSN 0021-8979 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Магнитострикция
  • «Магнитострикция и шум трансформатора» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 10 мая 2006 года.
  • Невидимые динамики от Feonic, использующие магнитострикцию
  • Производитель магнитострикционных сплавов: REMA-CN