Магнитострикция

Магнитострикция — это свойство магнитных материалов , которое заставляет их изменять свою форму или размеры в процессе намагничивания . Изменение намагниченности материалов под действием приложенного магнитного поля изменяет магнитострикционную деформацию до достижения значения насыщения λ. Эффект был впервые обнаружен в 1842 году Джеймсом Джоулем при наблюдении образца железа . ^[1]

Магнитострикция применима к магнитным полям, а электрострикция — к электрическим полям.

Магнитострикция вызывает потерю энергии из-за фрикционного нагрева чувствительных ферромагнитных сердечников, а также ответственна за низкий гудящий звук, который можно услышать в трансформаторах, где переменные токи создают изменяющееся магнитное поле. ^[2]

Объяснение

Внутри ферромагнитные материалы имеют структуру, разделенную на домены , каждый из которых представляет собой область однородной намагниченности. При приложении магнитного поля границы между доменами смещаются и домены вращаются; оба этих 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 к материалу приложено магнитное поле под углом к легкой оси намагничивания, материал будет стремиться перестроить свою структуру так, что легкая ось будет совмещена 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 (отклика 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 , и эффект Видемана — скручивание этих материалов при приложении к ним спирального магнитного поля.

Обращение Виллари — это изменение знака магнитострикции железа с положительного на отрицательный при воздействии магнитного поля силой примерно 40 кА/м .

При намагничивании магнитный материал претерпевает изменения в объеме, которые невелики: порядка 10 ⁻⁶.

Магнитострикционная петля гистерезиса

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

Магнитострикционные материалы

Магнитострикционные материалы могут преобразовывать магнитную энергию в кинетическую энергию или наоборот и используются для создания приводов и датчиков . Это свойство можно количественно оценить с помощью коэффициента магнитострикции λ, который может быть положительным или отрицательным и определяется как дробное изменение длины по мере увеличения намагниченности материала от нуля до значения насыщения . Эффект отвечает за знакомый « электрический гул » ( Слушать ^ⓘ), который можно услышать вблизи трансформаторов и электрических устройств большой мощности.

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 Военно-морской артиллерийской лаборатории и D для диспрозия ). Терфенол-Д, Tb _x Dy _{1- x} Fe ₂ демонстрирует около 2000 микродеформаций в поле 160 кА/м (2 кЭ) при комнатной температуре и является наиболее часто используемым инженерным магнитострикционным материалом. ^[5] Галфенол , Fe _x Ga _{1− x} и Альфер , Fe _x Al _{1− x} — это более новые сплавы, которые демонстрируют микродеформации 200–400 при более низких приложенных полях (~ 200 Э) и обладают улучшенными механическими свойствами по сравнению с хрупким Терфенолом-Д. Оба этих сплава имеют <100> простых осей магнитострикции и демонстрируют достаточную пластичность для применения в датчиках и исполнительных механизмах. ^[6]

Еще одним очень распространенным магнитострикционным композитом является аморфный сплав. Fe ₈₁ Si _3,5 B _13,5 C ₂ под торговым названием Metglas 2605SC. Благоприятными свойствами этого материала являются его высокая константа насыщения-магнитострикции λ, составляющая около 20 микродеформаций и более, в сочетании с низкой магнитной анизотропии напряженностью поля _{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 магнитные МЭМС . ^{[ нужна ссылка ]}

Кобальтовый феррит , CoFe ₂ O ₄ (CoO·Fe ₂ O ₃ ) также в основном используется в магнитострикционных приложениях, таких как датчики и исполнительные механизмы, благодаря своей высокой магнитострикции насыщения (~ 200 частей на миллион). ^[7] При отсутствии редкоземельных элементов является хорошей заменой Терфенола-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 последнего решения заключается в том, что оно работает сверхбыстро (20 минут) благодаря использованию искрового плазменного спекания .

В первых гидролокаторах во время Второй мировой войны никель использовался в качестве магнитострикционного материала. Чтобы смягчить дефицит никеля, японский флот использовал железо - алюминиевый сплав семейства Альперм .

Механическое поведение магнитострикционных сплавов

Влияние микроструктуры на упругодеформированные сплавы

Монокристаллические сплавы демонстрируют превосходную микродеформацию, но подвержены текучести из-за анизотропных механических свойств большинства металлов. Замечено, что для поликристаллических сплавов с большой площадью покрытия предпочтительных для микродеформаций зерен механические свойства ( пластичность ) магнитострикционных сплавов могут быть значительно улучшены. Целенаправленные 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. Этого можно добиться путем добавления частиц, таких как бориды . ^[13] и карбид ниобия ( НБК ) ^[14] при первичной отливке слитка в кокиль .

Для поликристаллического сплава установленная формула магнитострикции λ, полученная на основе известных измерений направленной микродеформации, выглядит следующим образом: ^[15]

λ _s = 1/5(2λ ₁₀₀ +3λ ₁₁₁ )

Магнитострикционный сплав деформируется до разрушения

Во время последующих этапов горячей прокатки и рекристаллизации происходит упрочнение частиц, при котором частицы создают силу «закрепления» на границах зерен , которая препятствует нормальному ( стохастическому ) росту зерен на этапе отжига, чему способствует H ₂ S. Атмосфера Таким образом, достижима текстура, подобная монокристаллу (~ 90% покрытия зерен {011}), уменьшающая помехи при выравнивании магнитных доменов и увеличивающая микродеформацию, достижимую для поликристаллических сплавов, измеренную полупроводниковыми тензодатчиками . ^[16] Эти текстуры поверхности можно визуализировать с помощью дифракции обратного рассеяния электронов (EBSD) или родственных методов дифракции.

Сжимающее напряжение, вызывающее выравнивание доменов

Для приводов максимальное вращение магнитных моментов приводит к максимально возможной мощности магнитострикции. Этого можно достичь с помощью таких методов обработки, как отжиг под напряжением и полевой отжиг. Однако механические предварительные напряжения также могут быть применены к тонким листам, чтобы обеспечить выравнивание перпендикулярно приведению в действие, пока напряжение ниже предела потери устойчивости. Например, было продемонстрировано, что приложенное предварительное сжимающее напряжение до ~ 50 МПа может привести к увеличению магнитострикции на ~ 90%. Предполагается, что это происходит из-за «скачка» начального выравнивания доменов, перпендикулярного приложенному напряжению, и улучшения окончательного выравнивания, параллельного приложенному напряжению. ^[17]

Основополагающее поведение магнитострикционных материалов

Эти материалы обычно демонстрируют нелинейное поведение при изменении приложенного магнитного поля или напряжения. Для малых магнитных полей линейная пьезомагнитная конститутивная ^[18] поведения достаточно. 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 «среднеэнергетический» подход. Совсем недавно Wahi et al. ^[22] предложили вычислительно эффективную конститутивную модель, в которой конститутивное поведение фиксируется с использованием схемы «локальной линеаризации».

Приложения

Электронное наблюдение за товарами – использование магнитострикции для предотвращения краж в магазинах
Магнитострикционные линии задержки — более ранняя форма компьютерной памяти.
Магнитострикционные громкоговорители и наушники

См. также

Электромагнитно-индуцированный акустический шум и вибрация
Обратный магнитострикционный эффект
Эффект Видемана - скручивающая сила, вызванная магнитострикцией.
Магнитомеханические эффекты для совокупности подобных эффектов
Магнитокалорический эффект
Электрострикция
Пьезоэлектричество
Пьезомагнетизм
СаундБаг
FeONIC – разработчик аудиопродукции, использующей магнитострикцию.
Терфенол-Д
Галфенол

Ссылки

^ 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 г. В этой статье Джоуль заметил, что впервые он сообщил об измерениях во время «беседы» в Манчестере, Англия, в Джоуль, Джеймс (1842). «О новом классе магнитных сил». Анналы электричества, магнетизма и химии . 8 : 219–224.
^ Вопросы и ответы о повседневных научных явлениях . Scritonscience.com. Проверено 11 августа 2012 г.
^ Джеймс, РД; Вуттиг, Манфред (12 августа 2009 г.). «Магнитострикция мартенсита». Философский журнал А. 77 (5): 1273–1299. дои : 10.1080/01418619808214252 .
^ Шевчик, Р. (2006). «Моделирование магнитных и магнитострикционных свойств высокопроницаемых Mn-Zn ферритов». ПРАМАНА-Журнал физики . 67 (6): 1165–1171. Бибкод : 2006Прама..67.1165С . дои : 10.1007/s12043-006-0031-z . S2CID 59468247 .
^ «Магнитострикция и магнитострикционные материалы» . Лаборатория активных материалов . Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе . Архивировано из оригинала 2 февраля 2006 г.
^ Пак, Чон Джин; На, Суок-Мин; Рагхунатх, Ганеша; Флатау, Элисон Б. (март 2016 г.). «Магнитная анизотропия, индуцированная отжигом под напряжением, в высокотекстурированных магнитострикционных полосах Fe-Ga и Fe-Al для вибрационных сборщиков энергии в изгибном режиме» . Достижения АИП . 6 (5): 056221. Бибкод : 2016AIPA....6e6221P . дои : 10.1063/1.4944772 .
^ Олаби, АГ; Грюнвальд, А. (январь 2008 г.). «Проектирование и применение магнитострикционных материалов» (PDF) . Материалы и дизайн . 29 (2): 469–483. дои : 10.1016/j.matdes.2006.12.016 .
^ Туртелли, Р. Сато; Кригиш, М; Атиф, М; Грёсингер, Р. (17 июня 2014 г.). «Коферрит – материал с интересными магнитными свойствами» . Серия конференций IOP: Материаловедение и инженерия . 60 (1): 012020. Бибкод : 2014MS&E...60a2020T . дои : 10.1088/1757-899X/60/1/012020 .
^ Слончевский, JC (15 июня 1958 г.). «Происхождение магнитной анизотропии в кобальтозамещенном магнетите». Физический обзор . 110 (6): 1341–1348. Бибкод : 1958PhRv..110.1341S . дои : 10.1103/PhysRev.110.1341 .
^ Ло, CCH; Кольцо, АП; Снайдер, Дж. Э.; Джайлс, округ Колумбия (октябрь 2005 г.). «Улучшение магнитомеханических свойств феррита кобальта методом магнитного отжига». Транзакции IEEE по магнетизму . 41 (10): 3676–3678. Бибкод : 2005ITM....41.3676L . дои : 10.1109/TMAG.2005.854790 . S2CID 45873667 .
^ 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. Бибкод : 2016JMMM..401..662W . дои : 10.1016/j.jmmm.2015.10.073 .
^ Обер, А.; Лояу, В.; Мазалейрат, Ф.; ЛоБу, 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 .
^ Ли, Дж. Х.; Гао, XX; Се, JX; Юань, К.; Чжу, Дж.; Ю, РБ (июль 2012 г.). «Поведение рекристаллизации и магнитострикция при предварительном сжатии листов Fe – Ga – B». Интерметаллики . 26 : 66–71. дои : 10.1016/j.intermet.2012.02.019 .
^ На, С.М.; Флатау, AB (май 2014 г.). «Эволюция текстуры и распределение вероятностей ориентации Госса в листах магнитострикционного сплава Fe – Ga». Журнал материаловедения . 49 (22): 7697–7706. Бибкод : 2014JMatS..49.7697N . дои : 10.1007/s10853-014-8478-7 . S2CID 136709323 .
^ Грёсингер, Р.; Туртелли, Р. Сато; Махмуд, Н. (2014). «Материалы с высокой магнитострикцией» . Серия конференций IOP: Материаловедение и инженерия . 60 (1): 012002. Бибкод : 2014MS&E...60a2002G . дои : 10.1088/1757-899X/60/1/012002 .
^ На, С.М.; Флатау, AB (май 2014 г.). «Эволюция текстуры и распределение вероятностей ориентации Госса в листах магнитострикционного сплава Fe – Ga». Журнал материаловедения . 49 (22): 7697–7706. Бибкод : 2014JMatS..49.7697N . дои : 10.1007/s10853-014-8478-7 . S2CID 136709323 .
^ Даунинг, Дж; На, СМ; Флатау, А (январь 2017 г.). «Влияние предварительного напряжения на магнитострикционное поведение высокотекстурированных тонких листов галфенола и альфенола» . Достижения АИП . 7 (5): 056420. Бибкод : 2017AIPA....7e6420D . дои : 10.1063/1.4974064 . 056420.
^ Исаак Д., Майергойз (1999). Справочник по гигантским магнитострикционным материалам . Эльзевир.
^ Прейзах, Ф. (май 1935 г.). «О магнитном последействии» . Журнал физики (на немецком языке). 94 (5–6): 277–302. Бибкод : 1935ZPhy...94..277P . дои : 10.1007/BF01349418 . ISSN 1434-6001 . S2CID 122409841 .
^ Джайлс, округ Колумбия; Атертон, Д.Л. (15 марта 1984 г.). «Теория ферромагнитного гистерезиса (приглашено)» . Журнал прикладной физики . 55 (6): 2115–2120. Бибкод : 1984JAP....55.2115J . дои : 10.1063/1.333582 . ISSN 0021-8979 .
^ Армстронг, Уильям Д. (15 апреля 1997 г.). «Всплеск магнитострикции в Tb0.3Dy0.7Fe1.9» . Журнал прикладной физики . 81 (8): 3548–3554. Бибкод : 1997JAP....81.3548A . дои : 10.1063/1.364992 . ISSN 0021-8979 .
^ Вахи, Саджан К.; Кумар, Маник; Сантапури, Сушма; Дапино, Марсело Дж. (07.06.2019). «Вычислительно эффективная локально линеаризованная конститутивная модель магнитострикционных материалов» . Журнал прикладной физики . 125 (21): 215108. Бибкод : 2019JAP...125u5108W . дои : 10.1063/1.5086953 . ISSN 0021-8979 . S2CID 189954942 .

Внешние ссылки

Магнитострикция
«Магнитострикция и шум трансформатора» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 10 мая 2006 г.
Невидимые динамики от Feonic, использующие магнитострикцию
Производитель магнитострикционных сплавов: REMA-CN. Архивировано 21 марта 2017 г. в Wayback Machine.

[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 г. В этой статье Джоуль заметил, что впервые он сообщил об измерениях во время «беседы» 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 . Scritonscience.com. Проверено 11 августа 2012 г.

[3] Джеймс, РД; 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-Журнал физики . 67 (6): 1165–1171. Бибкод : 2006Прама..67.1165С . дои : 10.1007/s12043-006-0031-z . S2CID 59468247 .

[5] «Магнитострикция и магнитострикционные материалы» . Лаборатория активных материалов . Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе . Архивировано из оригинала 2 февраля 2006 г.

[6] Пак, Чон Джин; На, Суок-Мин; Рагхунатх, Ганеша; Флатау, Элисон Б. (март 2016 г.). «Магнитная анизотропия, индуцированная отжигом под напряжением, в высокотекстурированных магнитострикционных полосах Fe-Ga и Fe-Al для вибрационных сборщиков энергии в изгибном режиме» . Достижения АИП . 6 (5): 056221. Бибкод : 2016AIPA....6e6221P . дои : 10.1063/1.4944772 .

[7] Олаби, АГ; Грюнвальд, А. (январь 2008 г.). «Проектирование и применение магнитострикционных материалов» (PDF) . Материалы и дизайн . 29 (2): 469–483. дои : 10.1016/j.matdes.2006.12.016 .

[8] Туртелли, Р. Сато; Кригиш, М; Атиф, М; Грёсингер, Р. (17 июня 2014 г.). «Коферрит – материал с интересными магнитными свойствами» . Серия конференций IOP: Материаловедение и инженерия . 60 (1): 012020. Бибкод : 2014MS&E...60a2020T . дои : 10.1088/1757-899X/60/1/012020 .

[9] Слончевский, JC (15 июня 1958 г.). «Происхождение магнитной анизотропии в кобальтозамещенном магнетите». Физический обзор . 110 (6): 1341–1348. Бибкод : 1958PhRv..110.1341S . дои : 10.1103/PhysRev.110.1341 .

[10] Ло, CCH; Кольцо, АП; Снайдер, Дж. Э.; Джайлс, округ Колумбия (октябрь 2005 г.). «Улучшение магнитомеханических свойств феррита кобальта методом магнитного отжига». Транзакции IEEE по магнетизму . 41 (10): 3676–3678. Бибкод : 2005ITM....41.3676L . дои : 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. Бибкод : 2016JMMM..401..662W . дои : 10.1016/j.jmmm.2015.10.073 .

[12] Обер, А.; Лояу, В.; Мазалейрат, Ф.; ЛоБу, 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, Дж. Х.; Гао, XX; Се, JX; Юань, К.; Чжу, Дж.; Ю, РБ (июль 2012 г.). «Поведение рекристаллизации и магнитострикция при предварительном сжатии листов Fe – Ga – B». Интерметаллики . 26 : 66–71. дои : 10.1016/j.intermet.2012.02.019 .

[14] На, С.М.; Флатау, AB (май 2014 г.). «Эволюция текстуры и распределение вероятностей ориентации Госса в листах магнитострикционного сплава Fe – Ga». Журнал материаловедения . 49 (22): 7697–7706. Бибкод : 2014JMatS..49.7697N . дои : 10.1007/s10853-014-8478-7 . S2CID 136709323 .

[15] Грёсингер, Р.; Туртелли, Р. Сато; Махмуд, Н. (2014). «Материалы с высокой магнитострикцией» . Серия конференций IOP: Материаловедение и инженерия . 60 (1): 012002. Бибкод : 2014MS&E...60a2002G . дои : 10.1088/1757-899X/60/1/012002 .

[16] На, С.М.; Флатау, AB (май 2014 г.). «Эволюция текстуры и распределение вероятностей ориентации Госса в листах магнитострикционного сплава Fe – Ga». Журнал материаловедения . 49 (22): 7697–7706. Бибкод : 2014JMatS..49.7697N . дои : 10.1007/s10853-014-8478-7 . S2CID 136709323 .

[17] Даунинг, Дж; На, СМ; Флатау, А (январь 2017 г.). «Влияние предварительного напряжения на магнитострикционное поведение высокотекстурированных тонких листов галфенола и альфенола» . Достижения АИП . 7 (5): 056420. Бибкод : 2017AIPA....7e6420D . дои : 10.1063/1.4974064 . 056420.

[18] Исаак Д., Майергойз (1999). Справочник по гигантским магнитострикционным материалам . Эльзевир.

[19] Прейзах, Ф. (май 1935 г.). «О магнитном последействии» . Журнал физики (на немецком языке). 94 (5–6): 277–302. Бибкод : 1935ZPhy...94..277P . дои : 10.1007/BF01349418 . ISSN 1434-6001 . S2CID 122409841 .

[20] Джайлс, округ Колумбия; Атертон, Д.Л. (15 марта 1984 г.). «Теория ферромагнитного гистерезиса (приглашено)» . Журнал прикладной физики . 55 (6): 2115–2120. Бибкод : 1984JAP....55.2115J . дои : 10.1063/1.333582 . ISSN 0021-8979 .

[21] Армстронг, Уильям Д. (15 апреля 1997 г.). «Всплеск магнитострикции в Tb0.3Dy0.7Fe1.9» . Журнал прикладной физики . 81 (8): 3548–3554. Бибкод : 1997JAP....81.3548A . дои : 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 магнитострикционных материалов» . Журнал прикладной физики . 125 (21): 215108. Бибкод : 2019JAP...125u5108W . дои : 10.1063/1.5086953 . ISSN 0021-8979 . S2CID 189954942 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]