Magnetostriktio - Magnetostriction

Magnetostriktio (vrt. Sähköstriktio ) on magneettisten materiaalien ominaisuus, joka saa ne muuttamaan muotoaan tai mittoja magneettiprosessin aikana . Materiaalien magnetoitumisen vaihtelu käytetystä magneettikentästä johtuen muuttaa magnetostriktiivistä rasitusta, kunnes se saavuttaa kyllästysarvonsa λ . James Joule tunnisti vaikutuksen ensimmäisen kerran vuonna 1842 tarkkailemalla rautanäytettä .

Tämä vaikutus aiheuttaa energiahäviöitä herkkien ferromagneettisten ytimien kitkakuumennuksesta. Vaikutus on vastuussa myös muuntajista tulevasta matalan äänenvoimakkuudesta, jossa värähtelevät vaihtovirrat tuottavat muuttuvan magneettikentän.

Selitys

Sisäisesti ferromagneettisten materiaalien rakenne on jaettu domeeneihin , joista kukin on tasaisen magnetoitumisen alue. Kun käytetään magneettikenttää, alueiden väliset rajat siirtyvät ja domeenit pyörivät; molemmat näistä vaikutuksista aiheuttavat muutoksen materiaalin mitoissa. Syy siihen, että materiaalin magneettisten alueiden muutos johtaa muutoksiin materiaalin mitoissa, on seurausta magnetokiteisestä anisotropiasta : kiteisen materiaalin magnetoimiseksi yhteen suuntaan tarvitaan enemmän energiaa. Jos magneettikenttä kohdistetaan materiaaliin kulmassa helposti magnetoituvaan akseliin, materiaali pyrkii järjestelemään uudelleen rakennettaan niin, että helppo akseli kohdistuu kentän kanssa järjestelmän vapaan energian minimoimiseksi . Koska erilaiset kidesuunnat liittyvät eri pituuksiin, tämä vaikutus aiheuttaa materiaaliin rasituksen .

Vastavuoroista vaikutusta, materiaalin magneettisen herkkyyden muutosta (vaste sovellettuun kenttään) mekaanisen rasituksen alaisena, kutsutaan Villarin vaikutukseksi . Kaksi muuta vaikutusta liittyvät magnetostriktiikkaan: Matteucci-vaikutus on kierteisen anisotropian luominen magnetostriktiivisen materiaalin herkkyydelle, kun se kohdistetaan vääntömomenttiin, ja Wiedemann-vaikutus on näiden materiaalien kiertyminen, kun niihin kohdistetaan kierteinen magneettikenttä.

Villarin kääntäminen on raudan magnetostriktion merkin muutos positiivisesta negatiiviseksi altistettaessa noin 40 kA / m magneettikentille.

Magnetisoinnissa magneettisen materiaalin tilavuusmuutokset ovat pieniä: suuruusluokkaa 10 −6 .

Magnetostriktiivinen hystereesisilmukka

Mn-Zn-ferriitin magnetostriktiivinen hystereesisilmukka puolijohdemoottoreilla mitattuihin tehosovelluksiin

Kuten vuon tiheys , magnetostriktiolla on myös hystereesi verrattuna magnetointikentän voimakkuuteen. Tämän hystereesisilmukan (kutsutaan "sudenkorennosilmukaksi") muoto voidaan toistaa käyttämällä Jiles-Atherton-mallia .

Magnetostriktiiviset materiaalit

Anturin katkaisu, joka käsittää: magneettikierteisen materiaalin (sisällä), magneettikäämin ja magneettikotelon, joka täydentää magneettipiirin (ulkopuolella)

Magnetostriktiiviset materiaalit voivat muuntaa magneettisen energian kineettiseksi energiaksi tai päinvastaiseksi, ja niitä käytetään toimilaitteiden ja antureiden rakentamiseen . Ominaisuus voidaan kvantifioida magnetostriktiivisellä kertoimella λ, joka voi olla positiivinen tai negatiivinen ja määritellään murto-osamuutoksena, kun materiaalin magnetoituminen nousee nollasta kyllästysarvoon . Vaikutus on vastuussa tutusta " sähköisestä kolinasta " ( Kuuntele ( ohje · info ) ), joka voidaan kuulla muuntajien ja suuritehoisten sähkölaitteiden lähellä. Tietoja tästä äänestä 

Koboltilla on suurin puhtaan alkuaineen huonelämpötilan magneettikiristys 60 mikrokerroksessa . Keskuudessa seokset, korkein tunnettu magnetostriktion on näytteillä Terfenol-D , (Ter varten terbium , Fe rauta , NOL varten Naval Ordnance Laboratory , ja D dysprosium ). Terfenol-D: llä, Tb x Dy 1 − x Fe 2 , on noin 2000 mikrokerrosta 160 kA / m (2 kOe) -kentällä huoneenlämmössä ja se on yleisimmin käytetty tekniikan magnetostriktiivinen materiaali. Galfenoli , Fe x Ga 1 - x ja Alfer , Fe x Al 1 - x , ovat uudempia seoksia, joilla on 200 - 400 mikrokantaa alemmilla kentillä (~ 200 Oe) ja joilla on parannetut mekaaniset ominaisuudet hauraasta Terfenol-D: stä. Molemmilla seoksilla on <100> helppo akseli magnetostriktiota varten ja ne osoittavat riittävän sitkeyden antureita ja toimilaitteita varten.

Kaaviokuva whisker-virtausanturista, joka on kehitetty käyttämällä ohutlevyisiä magneettia supistavia seoksia.

Toinen hyvin yleinen magnetostriktiivinen komposiitti on amorfinen seos Fe 81 Si 3.5 B 13.5 C 2 , sen kauppanimi Metglas 2605SC. Suotuisat ominaisuudet tämän materiaalin ovat korkea värikylläisyys-magnetostriktiovakio, λ, noin 20 microstrains ja enemmän, yhdistettynä alhainen magneettinen-anisotropia kentän voimakkuus, H , alle 1 kA / m (päästä magneettisen kyllästymisen ). Metglas 2605SC: llä on myös erittäin vahva ΔE-vaikutus, jolloin Youngin efektiivinen moduuli pienenee jopa 80% irtotavarana. Tämä auttaa rakentamaan energiatehokkaan magneettisen MEMS: n .

Koboltti ferriittiä , CoFe 2 O 4 (CoO · Fe 2 O 3 ), on myös käytetään lähinnä sen magnetostriktiivisiä sovelluksia, kuten anturien ja toimilaitteiden ansiosta ylärajasaturaation magnetostriktiota (~ 200 ppm). Harvinaisten maametallien puuttuessa se on hyvä korvike Terfenol-D: lle . Lisäksi sen magnetostriktiiviset ominaisuudet voidaan virittää indusoimalla magneettinen yksiaksiaalinen anisotropia. Tämä voidaan tehdä magneettisella hehkutuksella, magneettikentällä avustetulla tiivistämisellä tai reaktiolla yksiaksiaalisessa paineessa. Tämän viimeisen ratkaisun etuna on ultranopea (20 min) kipinäplasman sintrauksen käytön ansiosta .

Varhaisissa luotainantureissa toisen maailmansodan aikana nikkeliä käytettiin magnetostriktiivisenä materiaalina. Lievittää pulaa nikkelin, Japanin laivaston käyttänyt rauta - alumiini metalliseos päässä Alperm perhe.

Magnetostriktiivisten seosten mekaaninen käyttäytyminen

Mikrorakenteen vaikutus elastiseen rasitukseen

Yksikiteisillä seoksilla on ylivoimainen mikrokerros, mutta ne ovat herkkiä satolle useimpien metallien anisotrooppisten mekaanisten ominaisuuksien vuoksi. On havaittu, että monikiteisillä seoksilla, joilla on suuri mikrokerroksen edullisten jyvien pinta-ala , magnetostriktiivisten seosten mekaanisia ominaisuuksia ( sitkeyttä ) voidaan parantaa merkittävästi. Kohdennetut metallurgisen käsittelyn vaiheet edistävät {011} jyvien epänormaalia kasvua ohuissa galfenoli- ja alfenolilevyissä , jotka sisältävät kaksi helppoa akselia magneettisen domeenin kohdentamiseen magnetostriktion aikana. Tämä voidaan saavuttaa lisäämällä hiukkasia, kuten boridilajeja ja niobiumkarbidia ( Nb C ) harkon alkujäähdytyksen aikana .

Monikiteiselle metalliseokselle vakiintunut kaava magnetostriktiolle, λ, tunnetuista suunnatuista mikrojännitysmittauksista on:

λ s = 1/5 (2λ 100 + 3λ 111 )

Magnetostriktiivinen seos muodonmuutoksena murtumaksi.

Myöhemmissä kuumavalssauksen ja uudelleenkiteyttämällä vaiheet, hiukkasten vahvistaminen tapahtuu, jossa hiukkaset otetaan käyttöön ”pinning” voimassa raerajoilla , joka estää normaalin ( stokastinen ) viljan kasvua hehkutusvaihetta avustaa H 2 S -ilmakehässä. Siten yksikiteisen kaltainen rakenne (~ 90% {011} jyvien peitto) on saavutettavissa, mikä vähentää häiriöitä magneettisen domeenien kohdentumiseen ja lisää mikrokiteisiä seoksia varten saavutettavaa mikrojännitystä mitattuna puolijohtavilla venymämittareilla . Nämä pintarakenteet voidaan visualisoida käyttämällä elektronien takaisinsirontadiffraktiota (EBSD) tai vastaavia diffraktiotekniikoita.

Puristava stressi domeenien kohdistamisen aikaansaamiseksi

Toimilaitesovelluksissa magneettimomenttien suurin kierto johtaa korkeimpaan mahdolliseen magnetostriktiolähtöön. Tämä voidaan saavuttaa prosessointitekniikoilla, kuten stressin hehkutus ja kentän hehkutus. Mekaanisia esijännityksiä voidaan kuitenkin soveltaa myös ohuisiin levyihin kohdistuksen aikaansaamiseksi kohtisuoraan toimintaan, kunhan jännitys on vääntymisrajan alapuolella. Esimerkiksi on osoitettu, että jopa ~ 50 MPa: n puristettu esijännitys voi lisätä magnetostriktiota ~ 90%. Tämän oletetaan johtuvan "hyppyistä" alkujen kohdentumisesta kohtisuoraan kohdistettuun stressiin ja parannettuun lopulliseen kohdistukseen rinnakkain käytetyn stressin kanssa.

Magnetostriktiivisten materiaalien konstitutiivinen käyttäytyminen

Nämä materiaalit osoittavat yleensä epälineaarista käyttäytymistä käytetyn magneettikentän tai stressin muuttuessa. Pienille magneettikentille riittää lineaarinen pietsomagneettinen konstitutiivinen käyttäytyminen. Epälineaarinen magneettinen käyttäytyminen kaapataan käyttämällä klassista makroskooppista mallia, kuten Preisach-malli ja Jiles -Atherton-malli. Magnetomekaanisen käyttäytymisen vangitsemiseksi Armstrong ehdotti "energiakeskiarvon" lähestymistapaa. Viime aikoina Wahi et ai. ovat ehdottaneet laskennallisesti tehokasta konstitutiivista mallia, jossa konstitutiivinen käyttäytyminen kaapataan käyttämällä "paikallisesti linearisointimenetelmää".

Katso myös

Viitteet

Ulkoiset linkit