Обратный магнитострикционный эффект

Обратный магнитострикционный эффект , магнитоупругий эффект или эффект Виллари , в честь его первооткрывателя Эмилио Виллари , представляет собой изменение магнитной восприимчивости материала при воздействии механического напряжения.

Объяснение

Магнитострикция ​ $\lambda$ характеризует изменение формы ферромагнетика при намагничивании, тогда как обратный магнитострикционный эффект характеризует изменение намагниченности образца $M$(для заданной напряженности намагничивающего поля $H$) при механических напряжениях $\sigma$ применяются к образцу.

Качественное объяснение магнитоупругого эффекта

При заданном одноосном механическом напряжении $\sigma$, плотность потока $B$ для заданной напряженности намагничивающего поля $H$ может увеличиваться или уменьшаться. Реакция материала на напряжения зависит от его магнитострикции насыщения. $\lambda _{s}$. Для этого анализа сжимающие напряжения $\sigma$ считаются отрицательными, тогда как растягивающие напряжения - положительными.
Согласно принципу Ле Шателье :

$\left({\frac {d\lambda }{dH}}\right)_{\sigma }=\left({\frac {dB}{d\sigma }}\right)_{H}$

Это означает, что когда продукт $\sigma \lambda _{s}$ положительна, плотность потока $B$ увеличивается при стрессе. С другой стороны, когда продукт $\sigma \lambda _{s}$ отрицательна, плотность потока $B$ снижается при стрессе. Этот эффект был подтвержден экспериментально.

Количественное объяснение магнитоупругого эффекта

В случае единичного стресса $\sigma$ действуя на один магнитный домен, плотность энергии магнитной деформации $E_{\sigma }$ может быть выражено как:

$E_{\sigma }={\frac {3}{2}}\lambda _{s}\sigma \sin ^{2}(\theta )$

где $\lambda _{s}$ - магнитострикционное расширение при насыщении, а $\theta$ представляет собой угол между намагниченностью насыщения и направлением напряжения. Когда $\lambda _{s}$ и $\sigma$ оба положительны (как в растянутом железе), энергия минимальна при $\theta$ = 0, т.е. когда напряжение соответствует намагниченности насыщения. Следовательно, намагниченность увеличивается за счет напряжения.

Магнитоупругий эффект в монокристалле.

На самом деле магнитострикция более сложна и зависит от направления осей кристалла. В железе оси [100] являются направлениями легкого намагничивания, а вдоль направлений [111] намагниченность незначительна (если только намагниченность не становится близкой к намагниченности насыщения, что приводит к изменению ориентации доменов с [111] на [100]). Эта магнитная анизотропия подтолкнула авторов к определению двух независимых продольных магнитострикций. $\lambda _{100}$ и $\lambda _{111}$.

• В кубических материалах магнитострикция вдоль любой оси может быть определена известной линейной комбинацией этих двух констант. Например, удлинение вдоль [110] представляет собой линейную комбинацию $\lambda _{100}$ и $\lambda _{111}$.
• В предположении изотропной магнитострикции (т.е. намагниченность доменов одинакова во всех кристаллографических направлениях) тогда $\lambda _{100}=\lambda _{111}=\lambda$ и сохраняется линейная зависимость между упругой энергией и напряжением: $E_{\sigma }={\frac {3}{2}}\lambda \sigma (\alpha _{1}\gamma _{1}+\alpha _{2}\gamma _{2}+\alpha _{3}\gamma _{3})^{2}$. Здесь, $\alpha _{1}$, $\alpha _{2}$ и $\alpha _{3}$ – направляющие косинусы намагниченности доменов, $\gamma _{1}$, $\gamma _{2}$, $\gamma _{3}$ направления связей - в сторону кристаллографических направлений.

Метод испытания магнитоупругих свойств магнитных материалов

Метод, подходящий для эффективного испытания магнитоупругого эффекта в магнитных материалах, должен отвечать следующим требованиям:

• магнитная цепь испытуемого образца должна быть замкнута. Разомкнутая магнитная цепь вызывает размагничивание , что снижает магнитоупругий эффект и усложняет его анализ.
• распределение напряжений должно быть равномерным. Должны быть известны величина и направление напряжений.
• Должна быть возможность изготовления намагничивающей и чувствительной обмоток на образце - необходимо для измерения петли магнитного гистерезиса в условиях механических напряжений.

Были разработаны следующие методы тестирования:

• растягивающие напряжения, приложенные к полоске магнитного материала в форме ленты. Недостаток: обрыв магнитной цепи испытуемого образца.
• растягивающие или сжимающие напряжения, приложенные к образцу рамочной формы. Недостаток: можно тестировать только сыпучие материалы. Напряжений в стыках колонн образцов нет.
• сжимающие напряжения, приложенные к кольцевому сердечнику в боковом направлении. Недостаток: неравномерное распределение напряжений в сердечнике.
• растягивающие или сжимающие напряжения, приложенные к кольцевому образцу в осевом направлении. Недостаток: напряжения перпендикулярны намагничивающему полю.

Применение магнитоупругого эффекта

Магнитоупругий эффект может быть использован при разработке силы датчиков . Этот эффект был использован для датчиков:

• в гражданском строительстве .
• больших дизелей локомотивов для мониторинга .
• для мониторинга шаровых кранов .
• для биомедицинского мониторинга.

Обратные магнитоупругие эффекты также следует рассматривать как побочный эффект случайного или преднамеренного приложения механических напряжений к магнитному сердечнику индуктивного компонента, например, феррозонда генератора/двигателя или статора при установке с натягом.

См. также

• Магнитострикция
• Магнитокристаллическая анизотропия