Обратный магнитострикционный эффект - Inverse magnetostrictive effect

В обратный магнитострикционный эффект, магнитоупругий эффект или же Эффект Виллари это изменение магнитная восприимчивость материала при механическом воздействии.

Объяснение

В магнитострикция ${displaystyle lambda }$ характеризует изменение формы ферромагнитного материала при намагничивании, тогда как обратный магнитострикционный эффект характеризует изменение намагниченности образца ${displaystyle M}$(для заданной напряженности намагничивающего поля ${displaystyle H}$) при механических напряжениях ${displaystyle sigma }$ наносятся на образец.^[1]

Качественное объяснение магнитоупругого эффекта

При заданном одноосном механическом напряжении ${displaystyle sigma }$, плотность потока ${displaystyle B}$ для заданной напряженности намагничивающего поля ${displaystyle H}$ может увеличиваться или уменьшаться. То, как материал реагирует на напряжения, зависит от его магнитострикции насыщения. ${displaystyle lambda _{s}}$. Для этого анализа сжимающие напряжения ${displaystyle sigma }$ считаются отрицательными, а растягивающие напряжения положительными.
В соответствии с Принцип Ле Шателье:

${displaystyle left({frac {dlambda }{dH}}ight)_{sigma }=left({frac {dB}{dsigma }}ight)_{H}}$

Это означает, что когда товар ${displaystyle sigma lambda _{s}}$ положительна, плотность потока ${displaystyle B}$ увеличивается при стрессе. С другой стороны, когда товар ${displaystyle sigma lambda _{s}}$ отрицательна, плотность потока ${displaystyle B}$ снижается при стрессе. Этот эффект подтвержден экспериментально.^[2]

Количественное объяснение магнитоупругого эффекта

В случае однократного напряжения ${displaystyle sigma }$ воздействуя на одиночный магнитный домен, плотность энергии магнитной деформации ${displaystyle E_{sigma }}$ можно выразить как:^[1]

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

куда ${displaystyle lambda _{s}}$ - магнитострикционное расширение при насыщении, а ${displaystyle heta }$ - угол между намагниченностью насыщения и направлением напряжения. Когда ${displaystyle lambda _{s}}$ и ${displaystyle sigma }$ оба положительны (как в железе под напряжением), энергия минимальна для ${displaystyle heta }$ = 0, т.е. когда натяжение совпадает с намагниченностью насыщения. Следовательно, при растяжении намагниченность увеличивается.

Магнитоупругий эффект в монокристалле

На самом деле магнитострикция более сложна и зависит от направления осей кристалла. В утюг, оси [100] являются направлениями легкого намагничивания, тогда как вдоль направлений [111] намагниченность мала (если намагниченность не становится близкой к намагниченности насыщения, что приводит к изменению ориентации домена с [111] на [100] ]). Этот магнитная анизотропия подтолкнул авторов к определению двух независимых продольных магнитострикций ${displaystyle lambda _{100}}$ и ${displaystyle lambda _{111}}$.

• В кубический материалов, магнитострикция вдоль любой оси может быть определена известной линейной комбинацией этих двух констант. Например, удлинение по [110] представляет собой линейную комбинацию ${displaystyle lambda _{100}}$ и ${displaystyle lambda _{111}}$.
• По предположениям изотропный магнитострикция (т.е. домен намагниченность одинакова в любых кристаллографических направлениях), то ${displaystyle lambda _{100}=lambda _{111}=lambda }$ и линейная зависимость между упругой энергией и напряжением сохраняется, ${displaystyle E_{sigma }={frac {3}{2}}lambda sigma (alpha _{1}gamma _{1}+alpha _{2}gamma _{2}+alpha _{3}gamma _{3})^{2}}$. Здесь, ${displaystyle alpha _{1}}$, ${displaystyle alpha _{2}}$ и ${displaystyle alpha _{3}}$ - направляющие косинусы намагниченности домена, а ${displaystyle gamma _{1}}$, ${displaystyle gamma _{2}}$,${displaystyle gamma _{3}}$ те из направлений связи, в сторону кристаллографических направлений.

Методика испытания магнитоупругих свойств магнитомягких материалов.

Метод, пригодный для эффективного испытания магнитоупругого эффекта в магнитных материалах, должен отвечать следующим требованиям:^[3]

• магнитная цепь исследуемого образца должна быть замкнута. Причины обрыва магнитной цепи размагничивание, что снижает магнитоупругий эффект и усложняет его анализ.
• распределение напряжений должно быть равномерным. Следует знать величину и направление напряжений.
• должна быть возможность сделать на образце намагничивающие и чувствительные обмотки - необходимо для измерения магнитный гистерезис петля при механических нагрузках.

Были разработаны следующие методы тестирования:

• растягивающие напряжения, приложенные к полосе магнитного материала в форме ленты.^[4] Недостаток: обрыв магнитопровода испытуемого образца.
• растягивающие или сжимающие напряжения, приложенные к образцу в форме рамы.^[5] Недостаток: можно тестировать только сыпучие материалы. Отсутствие напряжений в стыках колонн образцов.
• сжимающие напряжения, приложенные к сердечнику кольца в боковом направлении.^[6] Недостаток: неравномерное распределение напряжений в активной зоне.
• растягивающие или сжимающие напряжения, приложенные к кольцевому образцу в осевом направлении.^[7] Недостаток: напряжения перпендикулярны намагничивающему полю.

Приложения магнитоупругого эффекта

Магнитоупругий эффект может быть использован при разработке сила датчики.^[8][9] Этот эффект использовался для датчиков:

• в гражданское строительство.^[4]
• для мониторинга крупных дизельные двигатели в локомотивы.^[10]
• для мониторинга шаровые краны.^[10]
• для биомедицинского мониторинга.^[11]

Магнитоупругий эффект также следует рассматривать как побочный эффект случайного приложения механических напряжений к магнитному сердечнику индуктивного компонента, например флюксгейты.^[12]

Рекомендации

1. Бозорт, Р. (1951). Ферромагнетизм. Ван Ностранд.
2. Salach, J .; Szewczyk, R .; Bienkowski, A .; Фридрих, П. (2010). «Методика испытаний магнитоупругих характеристик кольцевых сердечников в условиях равномерных сжимающих и растягивающих напряжений» (PDF). Журнал электротехники. 61 (7): 93.
3. Bienkowski, A .; Колано, Р .; Szewczyk, R (2003). «Новый метод характеристики магнитоупругих свойств аморфных кольцевых сердечников». Журнал магнетизма и магнитных материалов. 254: 67. Bibcode:2003JMMM..254 ... 67B. Дои:10.1016 / S0304-8853 (02) 00755-2.
4. Bydzovsky, J .; Коллар, М .; Svec, P .; и другие. (2001). «Магнитоупругие свойства аморфных лент CoFeCrSiB - возможности их применения» (PDF). Журнал электротехники. 52: 205.
5. Bienkowski, A .; Рознятовский, К .; Szewczyk, R (2003). «Влияние напряжения и его зависимость от микроструктуры в феррите Mn-Zn для энергетических приложений». Журнал магнетизма и магнитных материалов. 254: 547. Bibcode:2003JMMM..254..547B. Дои:10.1016 / S0304-8853 (02) 00861-2.
6. Mohri, K .; Корекода, С. (1978). «Новые преобразователи силы с аморфными ленточными сердечниками». IEEE Transactions on Magnetics. 14: 1071. Bibcode:1978ITM .... 14.1071M. Дои:10.1109 / TMAG.1978.1059990.
7. Szewczyk, R .; Bienkowski, A .; Salach, J .; и другие. (2003). «Влияние микроструктуры на характеристики напряжения сжатия нанокристаллических сенсоров типа FINEMET» (PDF). Журнал оптоэлектроники и перспективных материалов. 5: 705.
8. Bienkowski, A .; Шевчик Р. (2004). «Возможность использования магнитных материалов с высокой магнитной проницаемостью при создании магнитоупругих датчиков напряжения и силы». Датчики и исполнительные механизмы A - физические. Эльзевир. 113: 270. Дои:10.1016 / j.sna.2004.01.010.
9. Bienkowski, A .; Шевчик Р. (2004). «Новая возможность использования аморфных кольцевых сердечников в качестве датчика напряжений». Physica Status Solidi A. 189: 787. Bibcode:2002PSSAR.189..787B. Дои:10.1002 / 1521-396X (200202) 189: 3 <787 :: AID-PSSA787> 3.0.CO; 2-G.
10. Bienkowski, A .; Szewczyk, R .; Салах, Дж. (2010). «Промышленное применение магнитоупругих датчиков силы и крутящего момента» (PDF). Acta Physica Polonica A. 118: 1008.
11. Мейдан, Т .; Oduncu, Х. (1997). «Повышение магнитострикционных свойств аморфных лент для биомедицинского применения». Датчики и исполнительные механизмы A - физические. Эльзевир. 59: 192. Дои:10.1016 / S0924-4247 (97) 80172-0.
12. Szewczyk, R .; Бьенковский, А. (2004). «Напряженная зависимость чувствительности феррозондового датчика». Датчики и исполнительные механизмы A - физические. Эльзевир. 110 (1–3): 232. Дои:10.1016 / j.sna.2003.10.029.

Смотрите также

• Магнитострикция
• Магнитокристаллическая анизотропия