Магнитострикция это кратко и понятно
Обновлено: 05.07.2024
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]
Содержание
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
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" ( Слушать ( 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 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 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]
Сжимающее напряжение, чтобы вызвать выравнивание домена
изменение формы и размеров тела при намагничивании. Явление М. было открыто Дж. Джоулем (См. Джоуль) в 1842. В ферро- и ферримагнетиках (Fe, Ni, Со, Gd, Tb и других, ряде сплавов, ферритах) М. достигает значительной величины (относительное удлинение Δl / l ≈ 10 -6 —10 -2 ). В антиферромагнетиках, парамагнетиках и диамагнетиках М. очень мала. Обратное по отношению к М. явление — изменение намагниченности ферромагнитного образца при деформации — называется магнитоупругим эффектом, иногда — Виллари эффектом.
В современной теории магнетизма М. рассматривают как результат проявления основных типов взаимодействий в ферромагнитных телах: электрического обменного взаимодействия (См. Обменное взаимодействие) и магнитного взаимодействия (см. Ферромагнетизм). В соответствии с этим возможны 2 вида различных по природе магнитострикционных деформаций кристаллические решётки: за счёт изменения магнитных сил (диполь-дипольных и спин-орбитальных) и за счёт изменения обменных сил.
При намагничивании ферро- и ферримагнетиков (См. Ферримагнетики) магнитные силы действуют в интервале полей от 0 до поля напряжённостью Hs, в котором образец достигает технического магнитного насыщения Is. Намагничивание в этом интервале полей обусловлено процессами смещения границ между доменами (См. Домены) и вращения магнитных моментов доменов. Оба эти процесса изменяют энергетическое состояние кристаллической решётки, что проявляется в изменении равновесных расстояний между её узлами. В результате атомы смещаются, происходит магнитострикционная деформация решётки. М. этого вида носит анизотропный характер (зависит от направления и величины намагниченности J) и проявляется в основном в изменении формы кристалла почти без изменения его объёма (линейная М.). Для расчёта линейной М. существуют полуэмпирические формулы. Так, М. ферромагнитных кристаллов кубической симметрии, намагниченных до насыщения, рассчитывается по формуле:
где si, sj и βi, βj — направляющие косинусы соответственно вектора Js и направления измерения относительно рёбер куба, а1 и a2 — константы анизотропии М., численно равные s = (Δl / l) s называют М. насыщения или магнитострикционной постоянной.
М., обусловленная обменными силами, в ферромагнетиках наблюдается в области намагничивания выше технического насыщения, где магнитные моменты доменов полностью ориентированы в направлении поля и происходит только рост абсолютной величины Js (Парапроцесс, или истинное намагничивание). М. за счёт обменных сил в кубических кристаллах изотропна, то есть проявляется в изменении объёма тела. В гексагональных кристаллах (например, гадолинии) эта М. анизотропна. М. за счёт парапроцесса в большинстве ферромагнетиков при комнатных температурах мала, она мала и вблизи точки Кюри, где парапроцесс почти полностью определяет ферромагнитные свойства вещества. Однако в некоторых сплавах с малым коэффициентом теплового расширения (инварных магнитных сплавах) М. велика [в магнитных полях Магнитострикция 8․10 4 а/м (10 3 э) отношение ΔV / V Магнитострикция 10 -5 ]. Значительная по величине М. парапроцесса возникает также в ферритах (См. Ферриты) при разрушении или создании магнитным полем неколлинеарных магнитных структур (См. Магнитная структура).
М. относится к так называемым чётным магнитным эффектам, так как она не зависит от знака магнитного поля. Экспериментально больше всего изучалась М. в поликристаллических ферромагнетиках. Обычно измеряется относительное удлинение образца в направлении поля (продольная М.) или перпендикулярно направлению поля (поперечная М.). Для металлов и большинства сплавов продольная и поперечная М. в области полей технического намагничивания имеют разные знаки, причём величина поперечной М. меньше, чем продольной, а в области парапроцесса эти величины одинаковы (рис. 1). Для большинства ферритов как продольная, так и поперечная М. отрицательны; причина этого ещё не ясна. Величина, знак и графический ход зависимости М. от напряжённости поля и намагниченности зависят от структурных особенностей образца (кристаллографической текстуры, примесей посторонних элементов, термической и холодной обработки). У Fe (рис. 2) продольная М. в слабом магнитном поле положительна (удлинение тела), а в более сильном поле — отрицательна (укорочение тела). Для Ni при всех значениях поля продольная М. отрицательна. Сложный характер М. в поликристаллических образцах ферромагнетиков определяется особенностями анизотропии М. в кристаллах соответствующего металла. Большинство сплавов Fe — Ni, Fe — Co, Fe — Pt и других имеют положительный знак продольной М.: Δl / l ≈ (1—10)․10 -5 . Наибольшей продольной М. обладают сплавы Fe — Pt, Fe — Pd, Fe — Со, Mn — Sb, Mn — Cu — Bi, Fe — Rh. Среди ферритов наибольшая М. у CoFe2O4, Tb3Fe5O12, Dy3Fe5O12: Δl / l ≈ (2—25)․10 -4 . Рекордно высока М. у некоторых редкоземельных металлов, их сплавов и соединений, например у Tb и Dy, у TbFe2 и DyFe2: Δl / l ≈ 10 -3 —10 -2 (в зависимости от величины приложенного поля). М. примерно такого же порядка обнаружена у ряда соединений урана (U3As4, U3P4 и других).
М. в области технического намагничивания обнаруживает явление Гистерезиса (рис. 3). На М. в сильной степени влияют также температура, упругие напряжения и даже характер размагничивания, которому подвергался образец перед измерением.
Всестороннее изучение М. прежде всего способствует выяснению физической природы сил, которые определяют ферри-, антиферро- и ферромагнитное поведение вещества. Исследование М., особенно в области технического намагничивания, играет также большую роль при изысканиях новых магнитных материалов; например, отмечено, что высокая магнитная проницаемость сплавов типа пермаллоя связана с тем, что в них мала М. (наряду с малым значением константы магнитной анизотропии).
С М. связаны различные аномалии упругости в ферро-, ферри- и антиферромагнетиках. Резкие аномалии модулей упругости и внутреннего трения, наблюдаемые в указанных веществах в районе точек Кюри и Нееля и других фазовых магнитных переходов, обязаны влиянию М., возникающей при нагреве. Кроме того, при воздействии на ферро- и ферримагнитные тела упругих напряжений в них даже при отсутствии внешнего магнитного поля происходит перераспределение магнитных моментов доменов (в общем случае изменяется и абсолютная величина самопроизвольной намагниченности домена). Эти процессы сопровождаются дополнительной деформацией тела магнитострикционной природы — механострикцией (См. Механострикция), которая приводит к отклонениям от закона Гука. В непосредственной связи с механострикцией находится явление изменения под влиянием магнитного поля модуля упругости Е ферромагнитных металлов (ΔЕ-эффект).
Для измерения М. наибольшее распространение получили установки, работающие по принципу механооптического рычага, позволяющие наблюдать относительные изменения длины образца до 10 -6 . Ещё большую чувствительность дают радиотехнический и интерференционный методы. Получил распространение также метод проволочных датчиков, в котором на образец наклеивают проволочку, включенную в одно из плечей моста измерительного (См. Мост измерительный). Изменение длины проволочки и её электрического сопротивления при магнитострикционном изменении размеров образца с высокой точностью фиксируется электроизмерительным прибором.
М. нашла широкое применение в технике. На явлении М. основано действие магнитострикционных преобразователей (датчиков) и реле, излучателей и приёмников ультразвука, фильтров и стабилизаторов частоты в радиотехнических устройствах, магнитострикционных линий задержки и т.д.
Лит.: Вонсовский С. В., Магнетизм, М., 1971; Белов К. П., Упругие, тепловые и электрические явления в ферромагнетиках, 2 изд., М. — Л., 1957; Бозорт Р., Ферромагнетизм, перевод с английского, М., 1956; Редкоземельные ферромагнетики и антиферромагнетики, М., 1965; Ультразвуковые преобразователи, перевод с английского, под редакцией И. П. Голяминой, М., 1972.
Рис. 1. Продольная (кривая I) и поперечная (кривая II) магнитострикция сплава Ni (36 %) — Fe (64 %). В слабых полях они имеют разные знаки, в сильных — при парапроцессе — одинаковый знак (здесь магнитострикция носит объёмный характер).
Рис. 2. Зависимость продольной магнитострикции ряда поликристаллических металлов, сплавов и соединений от напряжённости магнитного поля.
Магнитостри́кция (от магнит и лат. strictio — сжатие, натягивание), изменение размеров и формы кристаллического тела при намагничивании. Магнитострикцию рассматривают как результат проявления основных типов взаимодействий в ферромагнитных телах: электрического обменного взаимодействия и магнитного взаимодействия. В соответствии с этим возможны два вида различных по природе магнитострикционных деформаций кристаллической решетки: за счет изменения магнитных сил (диполь-дипольных и спин-орбитальных) и за счет изменения обменных сил.
Спонтанная магнитострикция — искажение кристаллической структуры, вызванное спонтанной намагниченностью. Возникает при переходе вещества из парамагнитного в ферромагнитное состояние в процессе охлаждения до температуры ниже точки Кюри.
Линейная (индуцированная) магнитострикция связана с искажениями кристаллической решетки под действием внешнего поля.
Магнитострикцию оценивают значением относительной деформации образца в направлении магнитного поля ДL/L. Численное значение коэффициента магнитострикции зависит от типа структуры, кристаллографического направления, напряженности магнитного поля и температуры. При этом линейная магнитострикция может быть как положительной, так и отрицательной, т.е. размеры образца могут как увеличиваться, так и уменьшаться. Относительную магнитострикционную деформацию, возникающую при магнитном насыщении образца, называют константой магнитострикции s. Константа магнитострикции уменьшается при нагревании ферромагнетика и обращается в нуль при температуре перехода вещества в парамагнитное состояние (точка Кюри).
В большинстве ферромагнетиков относительная спонтанная деформация при температурах значительно ниже точки Кюри по порядку величины равна 10 -5 . Рентгенографические методы не всегда фиксируют такие малые искажения решетки. Однако в некоторых ферромагнетиках спонтанную деформацию домена можно заметить рентгенографически, например, в случае кобальтового феррита, где анизотропная спонтанная деформация достигает величины порядка 10 -4 . Особенно велика анизотропная спонтанная деформация решетки (порядка 10 -3 ) у некоторых редкоземельных металлов (Tb, Dy, Ho, Er). Очень большая относительная линейная магнитострикция наблюдается при комнатной температуре в сплавах редкоземельных металлов с железом, например в TbFe2 (~10 -3 ). В слабых полях железо и никель имеют разный знак коэффициента магнитострикции. Это обстоятельство используется при получении железоникелевых сплавов типа пермаллой с большой начальной магнитной проницаемостью. В пермаллоях с содержанием никеля ~80% коэффициенты магнитострикции вдоль всех основных кристаллографических направлений становятся близкими к нулю. Наибольших значений магнитострикция достигает в ферро- и ферримагнетиках, в которых магнитные взаимодействия частиц особенно велики. В антиферромагнетиках, парамагнетиках и диамагнетиках магнитострикция очень мала. Обратное по отношению к магнитострикции. явление — изменение намагниченности ферромагнитного образца при деформации — называется магнитоупругим эффектом, иногда Виллари эффектом.
Изменение размеров ферромагнетика при намагничивании сопровождается появлением в нем внутренних напряжений и деформаций, которые препятствуют смещению доменных границ. Магнитострикция, как и кристаллографическая анизотропия, затрудняет процесс намагничивания ферромагнетика в слабых полях. Поэтому высокой магнитной проницаемостью обладают те магнитные материалы, у которых малы константы анизотропии и магнитострикции.
Магнитострикция относится к так называемым четным магнитным эффектам, так как она не зависит от знака магнитного поля.
Явление магнитострикции широко используется в технике при изготовлении различных приборов: магнитострикционных датчиков, преобразователей, резонаторов, ультразвуковых устройств фильтров и стабилизаторов частоты в радиотехнических устройствах, магнитострикционных линий задержки и т.д.
Магнитострикция в физике.
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Магнитострикция- явление изменения формы и размеров тела при намагничивании .
Открыт в 1847 г. английским физиком Джеймсом Джоулем и вызван изменением взаимосвязей между атомами в кристаллической решётке, и поэтому свойствен всем веществам. При пропускании по обмотке, наложенной на ферромагнитный стержень, переменного тока стержень изменяет свои размеры под воздействием магнитного поля, т.е. наблюдается прямой магнитострикционный эффект. Если стержень из ферромагнитного материала сжимать или растягивать, то в обмотке возникает переменный ток — обратный эффект. Изменение формы тела может проявляться, например, в растяжении, сжатии, изменении объёма, что зависит как от действующего магнитного поля, так и от кристаллической структуры тела.
Магнитострикцию рассматривают как результат проявления основных типов взаимодействий в телах: электрического и магнитного взаимодействий. В соответствии с этим возможны два вида различных по природе деформаций кристаллической решетки : за счет изменения магнитных сил, и за счет изменения обменных сил.
Различают линейную и спонтанную магнитострикцию.
С понтанная магнитострикция — искажение кристаллической структуры, вызванное намагниченностью.
Линейная магнитострикция -связана с искажениями кристаллической решетки под действием внешнего поля.
Магнитострикционный эффект обратим, — при изменении линейных размеров тела под действием внешних сил его магнитные свойства, соответственно, изменяются. Это явление называется магнитоупругим эффектом
Изменение размеров тела при намагничивании сопровождается появлением в нем внутренних напряжений и деформаций, которые препятствуют смещению его границ. Магнитострикция затрудняет процесс намагничивания тела в слабых полях. Поэтому высокой магнитной проницаемостью обладают те магнитные материалы, у которых малы константы магнитострикции.
Цель работы:
Хоть и в школьной программе не говорится о магнитострикции, я решила
изучить это явление, выявить зависимость изменения длины стержня, проверить, во всех ли случаях наблюдается это.
Описание работы
Существует ряд методов, при помощи которых наблюдение явления магнитострикции возможно экспериментально.
Данная работа посвящена изучению поведения ферромагнетика и диэлектрика в магнитном поле.
Ферромагнетик — такое вещество, которое, при температуре ниже точки Кюри ( Точка Кюри— температура фазового перехода), способно обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля.
Для работы мне потребовались:
Картонная труба диаметром 4 см, длиной 35 см
Провод диаметром 0,69 мм в эмалевой изоляции
Железный стержень и алюминиевый
Метал. Уголки и пластинка
На картонную трубку я намотала 620 витков провода, диаметром 0,6 мм.
Укрепила катушку, горизонтально на двух деревянных стойках.
Провела через нее железный стержень.
Один конец закрепила очень жестко.
На другой конец насадила пластмассовую пробку. Пробка нужна для того, чтобы при пропускании тока стержень не притягивался к стенкам катушки.
Свободный конец стержня я постаралась сделать гладким и прямым.
К рычажку крепится микрометр.
Далее, я подвела подставку с микрометром к прибору так, чтобы заостренный конец стержня уперся в рычажок.
В результате работы получилось, что при силе тока 4,5 Ампер, железный стержень удлиняется на 0,01 мм.
Сделаем расчет характеристик магнитного поля:
Формула напряженности магнитного поля цилиндрической катушки:
Где I - сила тока , N -кол-во витков, L -длина стержня в магнитном поле
Известно ,что магнитная индукция определяется по формуле:
Где m 0-магнитная постоянная;
B =12.56* 9964,3=125151,6* 0,0125 Тл
Длина стержня в магнитном поле-28 см.
Относительное удлинение стержня равно
Следовательно относительное удлинение железного стержня равно
Т.к. железо является ферромагнетиком, то оно находясь в магнитном поле, при малых частотах удлиняется, а при высоких-уменьшается. Значит можно исследовать не ферромагнетик, например, алюминий, который в магнитном поле не должен изменять свою длину.
Я приготовила алюминиевый стержень такой же длины и сечения, закрепила его так, как и железный, и включила в сеть. Изменения длины не наблюдалось.
При помещении ферромагнетика в магнитное поле, при низких частотах его длина увеличивается, а при высоких-уменьшается. Не ферромагнетики, а, например, парамагнетики не изменяют свою длину в магнитном поле. Магнитострикционный эффект заключается в изменении размеров ферромагнитных тел под действием магнитного поля. Простейший магнитострикционный излучатель — это стержень из металла (никеля) с намотанной на него проволокой. Если через обмотку такой катушки пропускать, например, высокочастотный переменный ток, в ней возникнет переменное магнитное поле , в результате чего стержень будет периодически сжиматься и растягиваться с частотой подводимого к катушке тока и концы стержня будут излучать ультразвуковые колебания.
Используемая литература.
Юный техник выпуск №4 1974 год.
Справочник по физике(Эрих Юбелакер)
Весь школьный курс в таблицах. Сост. Тульев В.В.
Курс общей физики. Т.1. Механика, колебания и волны, молекулярная физика. Савельев И.В.
Курс общей физики. Т.2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. Савельев И.В.
Читайте также: