Обратный магнитострикционный эффект

редактировать

Обратный магнитострикционный эффект, магнитоупругий эффект или эффект Виллари - это изменение магнитной восприимчивости материала при воздействии механического напряжения.

Содержание

1 Пояснение
- 1.1 Качественное объяснение магнитоупругого эффекта
- 1.2 Количественное объяснение магнитоупругого эффекта
- 1.3 Магнитоупругий эффект в монокристалле
2 Метод испытания магнитоупругих свойств магнитомягкого материалы
3 Применение магнитоупругого эффекта
4 Ссылки
5 См. также

Пояснение

Магнитострикция $λ {\ displaystyle \ lambda}$ $\ lambda$ характеризует изменение формы ферромагнитного материала во время намагничивания, тогда как обратный магнитострикционный эффект характеризует изменение намагниченности образца $M {\ displaystyle M}$ $M$ (для данной напряженности намагничивающего поля $H {\ displaystyle H}$ $H$ ) при приложении к образцу механических напряжений $σ {\ displaystyle \ sigma}$ $\ sigma$ .

Качественное объяснение магнитоупругого эффекта

При заданном одноосном механическом напряжении $σ {\ displaystyle \ sigma}$ $\ sigma$ плотность потока $B {\ displaystyle B}$ $B$ для данной напряженности намагничивающего поля $H {\ displaystyle H}$ $H$ может увеличиваться или уменьшаться. То, как материал реагирует на напряжения, зависит от его магнитострикции насыщения $λ s {\ displaystyle \ lambda _ {s}}$ $\ lambda_s$ . Для этого анализа сжимающие напряжения $σ {\ displaystyle \ sigma}$ $\ sigma$ считаются отрицательными, а растягивающие - положительными.. Согласно принципу Ле Шателье :

$(d λ d H) σ знак равно (d B d σ) H {\ displaystyle \ left ({\ frac {d \ lambda} {dH}} \ right) _ {\ sigma} = \ left ({\ frac {dB} {d \ sigma}} \ right) _ {H}}$ $\ left (\ frac {d \ lambda} {dH} \ right) _ {\ sigma} = \ left (\ frac {dB} {d \ sigma} \ right) _ {H}$

Это означает, что когда произведение $σ λ s {\ displaystyle \ sigma \ lambda _ {s}}$ $\ sigma \ lambda_s$ положительно, плотность потока $B {\ displaystyle B}$ $B$ увеличивается под действием напряжения. С другой стороны, когда произведение $σ λ s {\ displaystyle \ sigma \ lambda _ {s}}$ $\ sigma \ lambda_s$ отрицательно, плотность потока $B {\ displaystyle B}$ $B$ уменьшается при стрессе. Этот эффект был подтвержден экспериментально.

Количественное объяснение магнитоупругого эффекта

В случае единственного напряжения $σ {\ displaystyle \ sigma}$ $\ sigma$ , действующего на одиночный магнитный домен, плотность энергии магнитной деформации $E σ {\ displaystyle E _ {\ sigma}}$ $E_ \ sigma$ может быть выражена как:

$E σ = 3 2 λ s σ sin 2 ⁡ (θ) {\ displaystyle E _ {\ sigma} = {\ frac {3} {2}} \ lambda _ {s} \ sigma \ sin ^ {2} (\ theta)}$ $E_ \ sigma = \ frac {3} {2} \ lambda_s \ sigma \ sin ^ 2 (\ theta)$

где $λ s {\ displaystyle \ lambda _ {s}}$ $\ lambda_s$ - это магнитострикционное расширение при насыщении, а $θ {\ displaystyle \ theta}$ $\ theta$ - угол между намагниченностью насыщения и направлением напряжения. Когда $λ s {\ displaystyle \ lambda _ {s}}$ $\ lambda_s$ и $σ {\ displaystyle \ sigma}$ $\ sigma$ оба положительны (как в железе под напряжением), энергия минимальна для $θ {\ displaystyle \ theta}$ $\ theta$ = 0, то есть когда натяжение совпадает с намагниченностью насыщения. Следовательно, намагниченность увеличивается при растяжении.

Магнитоупругий эффект в монокристалле

На самом деле магнитострикция более сложна и зависит от направления осей кристалла. В железе оси [100] представляют собой направления легкого намагничивания, тогда как вдоль направлений [111] намагниченность незначительна (если только намагниченность не становится близкой к намагниченности насыщения, что приводит к изменению домена ориентация от [111] до [100]). Эта магнитная анизотропия подтолкнула авторов к определению двух независимых продольных магнитострикций $λ 100 {\ displaystyle \ lambda _ {100}}$ $\lambda_{100}$ и $λ 111 {\ displaystyle \ lambda _ {111}}$ $\ lambda_ {111}$ .

В материалах кубической магнитострикция вдоль любой оси может быть определена известной линейной комбинацией этих двух констант. Например, удлинение по [110] представляет собой линейную комбинацию $λ 100 {\ displaystyle \ lambda _ {100}}$ $\lambda_{100}$ и $λ 111 {\ displaystyle \ lambda _ {111} }$ $\ lambda_ {111}$ .
В предположении изотропной магнитострикции (т.е. намагниченность домена одинакова в любых кристаллографических направлениях), тогда $λ 100 = λ 111 = λ {\ displaystyle \ lambda _ {100} = \ lambda _ {111} = \ lambda}$ $\ lambda_ {100} = \ lambda_ {111} = \ lambda$ и линейная зависимость между упругой энергией и напряжением сохраняется, $E σ = 3 2 λ σ (α 1 γ 1 + α 2 γ 2 + α 3 γ 3) 2 {\ displaystyle E _ {\ sigma} = {\ frac {3} {2}} \ lambda \ sigma (\ alpha _ {1} \ gamma _ {1} + \ альфа _ {2} \ gamma _ {2} + \ alpha _ {3} \ gamma _ {3}) ^ {2}}$ $E_ \ sigma = \ frac {3} {2} \ lambda \ sigma (\ alpha_1 \ gamma_1 + \ alpha_2 \ gamma_2 + \ alpha_3 \ gamma_3) ^ 2$ . Здесь $α 1 {\ displaystyle \ alpha _ {1}}$ $\ alpha_1$ , $α 2 {\ displaystyle \ alpha _ {2}}$ $\ alpha_2$ и $α 3 {\ displaystyle \ alpha _ {3}}$ $\ alpha_3$ - направляющие косинусы намагниченности домена, а $γ 1 {\ displaystyle \ gamma _ {1}}$ $\ gamma_1$ , $γ 2 {\ displaystyle \ gamma _ {2}}$ $\ gamma_2$ , $γ 3 {\ displaystyle \ gamma _ {3}}$ $\ gamma_3$ направления связей в направлении кристаллографических направлений.

Метод испытания магнитоупругих свойств магнитомягких материалов

Метод, пригодный 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. Необходимо знать величину и направление напряжений.
должна быть возможность создания на образце обмоток намагничивания и измерения, что необходимо для измерения петли магнитного гистерезиса при механических напряжениях.

Были разработаны следующие методы испытаний:

растягивающие напряжения, прикладываемые к полосе магнитного материала в форме ленты. Недостаток: разомкнутая магнитная цепь испытуемого образца.
растягивающие или сжимающие напряжения, приложенные к рамочному образцу. Недостаток: можно тестировать только сыпучие материалы. Отсутствие напряжений в соединениях колонн образцов.
сжимающие напряжения, приложенные к сердечнику кольца в боковом направлении. Недостаток: неравномерное распределение напряжений в сердечнике.
растягивающие или сжимающие напряжения, приложенные в осевом направлении к кольцевому образцу. Недостаток: напряжения перпендикулярны намагничивающему полю.

Применение магнитоупругого эффекта

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

в гражданском строительстве.
для мониторинга больших дизельных двигателей в локомотивов.
для мониторинга шаровых кранов.
для биомедицинского мониторинга.

Магнитоупругий эффект также следует рассматривать как побочный эффект случайного приложения механических напряжений к магнитному сердечнику индуктивного компонента, например fluxgates.

Ссылки

См. Также