Магнитострикция - Magnetostriction

Магнитострикция (ср. электрострикция ) является свойством магнитные материалы что заставляет их изменять свою форму или размеры в процессе намагничивание. Изменение намагниченности материалов из-за применяемого магнитное поле изменяет магнитострикционную деформацию до достижения значения насыщения, λ. Эффект был впервые обнаружен в 1842 г. Джеймс Джоуль при наблюдении за образцом утюг.[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

Внутри ферромагнитные материалы имеют структуру, которая разделена на домены, каждая из которых представляет собой область однородной магнитной поляризации. 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 магнитокристаллическая анизотропия, что для намагничивания кристаллического материала в одном направлении требуется больше энергии, чем в другом. Если к материалу приложить магнитное поле под углом к ​​легкой оси намагничивания, материал будет стремиться перестроить свою структуру так, чтобы легкая ось была выровнена с полем, чтобы минимизировать свободная энергия системы. Поскольку разные направления кристаллов связаны с разной длиной, этот эффект вызывает напряжение в материале.[3]

Обратный эффект, изменение магнитной восприимчивости (реакции на приложенное поле) материала при воздействии механического напряжения, называется Эффект Виллари. Таким образом, с магнитострикцией связаны два других эффекта: Эффект Маттеуччи представляет собой создание спиральной анизотропии восприимчивости магнитострикционного материала при воздействии крутящий момент и Эффект Видемана скручивание этих материалов при приложении к ним винтового магнитного поля.

Инверсия Виллари - это изменение знака магнитострикции утюг от положительного к отрицательному при воздействии магнитных полей приблизительно 40 кА / м.

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

Петля магнитострикционного гистерезиса

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

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

Магнитострикционные материалы

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

Магнитострикционные материалы могут преобразовывать магнитную энергию в кинетическая энергия, или наоборот, и используются для построения приводы и датчики. 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 насыщение ценить. Эффект отвечает за знакомые "электрический гул " (Об этом звукеСлушать (Помогите ·Информация )) который можно услышать рядом трансформаторы и электрические устройства большой мощности.

Кобальт демонстрирует самую большую магнитострикцию чистого элемента при комнатной температуре при 60 микроштаммы. Среди сплавов наибольшую известную магнитострикцию демонстрирует Терфенол-Д, (Ter для тербий, Fe для утюг, NOL для Военно-морская артиллерийская лаборатория, и D для диспрозий ). Терфенол-Д, TbИксDy1-хFe2, проявляет около 2000 микродеформаций в поле 160 кА / м (2 кЭ) при комнатной температуре и является наиболее часто используемым инженерным магнитострикционным материалом.[5] Галфенол, FeИксGa1-х, и Альфенол, FeИксAl1-х, представляют собой более новые сплавы, которые проявляют 200-400 микродеформаций при более низких приложенных полях (~ 200 Э) и обладают улучшенными механическими свойствами по сравнению с хрупким Терфенолом-Д. Оба этих сплава имеют <100> легкие оси для магнитострикции и демонстрируют достаточную пластичность для применения в датчиках и исполнительных механизмах.[6]

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

Другой очень распространенный магнитострикционный композит - это аморфный сплав. Fe81Si3.5B13.5C2 со своим торговым названием Metglas 2605SC. Благоприятными свойствами этого материала являются его высокая константа магнитострикции насыщения λ, составляющая около 20 микроштаммы и многое другое в сочетании с низким магнитная анизотропия напряженность поля, HА, менее 1 кА / м (для достижения магнитное насыщение ). Metglas 2605SC также демонстрирует очень сильный ΔE-эффект с уменьшением эффективного Модуль для младших до 80% навалом. Это помогает создавать энергоэффективные магнитные МЭМС.[нужна цитата ]

Кобальт феррит, CoFe2О4 (CoO · Fe2О3), также в основном используется для магнитострикционных приложений, таких как датчики и исполнительные механизмы, благодаря высокой магнитострикции насыщения (~ 200 частей на миллион).[7] Не имея редкоземельный элементы, это хорошая замена Терфенол-Д.[8] Более того, его магнитострикционные свойства можно регулировать, создавая магнитную одноосную анизотропию.[9] Это можно сделать с помощью магнитного отжига,[10] уплотнение с помощью магнитного поля,[11] или реакция под одноосным давлением.[12] Преимущество этого последнего решения в том, что он сверхбыстрый (20 мин) благодаря использованию искровое плазменное спекание.

В начале сонар преобразователи во время Второй мировой войны, никель использовался как магнитострикционный материал. Чтобы уменьшить нехватку никеля, ВМС Японии использовали утюг -алюминий сплав из Альперм семья.

Механическое поведение магнитострикционных сплавов

Влияние микроструктуры на упругую деформацию

Монокристалл Сплавы демонстрируют превосходную микродеформацию, но они уязвимы к текучести из-за анизотропных механических свойств большинства металлов. Было замечено, что для поликристаллический Сплавы с высокой площадью покрытия зерен с преимущественной микродеформацией, механические свойства (пластичность ) магнитострикционных сплавов можно значительно улучшить. Целевые этапы металлургической обработки способствуют аномальный рост зерна из {011} зерен в галфенол и альфенол тонкие листы, содержащие две легкие оси для выравнивания магнитных доменов при магнитострикции. Это может быть достигнуто путем добавления таких частиц, как бориды. [13] и карбид ниобия (NbC ) [14] во время начального кокильного литья слиток.

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

λs = 1/5 (2λ100+ 3λ111)

Магнитострикционный сплав деформирован до разрушения.

В последующие горячая прокатка и перекристаллизация этапах, происходит упрочнение частиц, при котором частицы создают «пиннинг» силу на границы зерен что мешает нормальному (стохастический ) рост зерна на этапе отжига с помощью ЧАС2S Атмосфера. Таким образом достигается монокристаллическая текстура (покрытие зерен ~ 90% {011}), что снижает влияние магнитный домен выравнивание и увеличение микродеформации, достижимые для поликристаллических сплавов, как измерено полупроводниковыми тензодатчики.[16] Эти текстуры поверхности можно визуализировать с помощью дифракция обратного рассеяния электронов (EBSD) или связанные с ними дифракционные методы.

Сжимающее напряжение, чтобы вызвать выравнивание домена

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 потери устойчивости. 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 улучшенному окончательному выравниванию параллельно приложенному напряжению.[17]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Джоуль, Дж. П. (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. Получено 2009-07-19. В этой статье Джоуль заметил, что он впервые сообщил об измерениях в «беседке» в Манчестере, Англия, в Джоуль, Джеймс (1842). «О новом классе магнитных сил». Анналы электричества, магнетизма и химии. 8: 219–224.
  2. ^ Вопросы и ответы о повседневных научных явлениях. Sctritonscience.com. Проверено 11 августа 2012.
  3. ^ James, R.D .; Вуттиг, Манфред (12 августа 2009 г.). «Магнитострикция мартенсита». Философский журнал А. 77 (5): 1273–1299. Дои:10.1080/01418619808214252.
  4. ^ Шевчик Р. (2006). «Моделирование магнитных и магнитострикционных свойств высокопроницаемых Mn-Zn ферритов». ПРАМАНА-Физический журнал. 67 (6): 1165–1171. Bibcode:2006Прама..67.1165S. Дои:10.1007 / s12043-006-0031-z.
  5. ^ «Магнитострикционные и магнитострикционные материалы». Лаборатория активных материалов. UCLA. Архивировано из оригинал 02 февраля 2006 г.
  6. ^ Пак, Чон Джин; На, Суок-Мин; Рагхунатх, Ганеш; Flatau, Элисон Б. (март 2016 г.). «Вызванная напряжением отжига магнитная анизотропия в высокотекстурированных магнитострикционных лентах Fe-Ga и Fe-Al для сборщиков энергии колебаний изгибного режима». Продвижение AIP. 6 (5): 056221. Bibcode:2016AIPA .... 6e6221P. Дои:10.1063/1.4944772.
  7. ^ Olabi, A.G .; Грюнвальд, А. (январь 2008 г.). «Дизайн и применение магнитострикционных материалов» (PDF). Материалы и дизайн. 29 (2): 469–483. Дои: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: 012020. Дои:10.1088 / 1757-899X / 60/1/012020.
  9. ^ Слончевский, Дж. К. (15 июня 1958 г.). «Происхождение магнитной анизотропии в кобальтзамещенном магнетите». Физический обзор. 110 (6): 1341–1348. Bibcode:1958ПхРв..110.1341С. Дои:10.1103 / PhysRev.110.1341.
  10. ^ Lo, C.C.H .; Кольцо, А.П .; 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. Дои:10.1109 / TMAG.2005.854790.
  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. Дои: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. Дои:10.1016 / j.jeurceramsoc.2017.03.036.
  13. ^ Li, J.H .; Gao, X.X .; Xie, J.X .; Юань, C .; Zhu, J .; Ю., Р.Б. (июль 2012). «Рекристаллизационное поведение и магнитострикция при предварительном напряжении сжатия листов Fe – Ga – B». Интерметаллиды. 26: 66–71. Дои:10.1016 / j.intermet.2012.02.019.
  14. ^ Na, S-M .; Flatau, A.B. (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. Дои:10.1007 / s10853-014-8478-7.
  15. ^ Grössinger, R .; Turtelli, R. Sato; Махмуд, Н. (2014). «Материалы с высокой магнитострикцией». Серия конференций IOP: Материаловедение и инженерия. 60: 012002. Дои:10.1088 / 1757-899X / 60/1/012002.
  16. ^ Na, S-M .; Flatau, A.B. (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. Дои:10.1007 / s10853-014-8478-7.
  17. ^ Даунинг, Дж; Na, S-M; Flatau, A (январь 2017 г.). «Влияние предварительного напряжения сжатия на магнитострикционное поведение высокотекстурированных тонких листов галфенола и альфенола». Продвижение AIP. 7 (5): 056420. Дои:10.1063/1.4974064. 056420.

внешняя ссылка