Эффект Виллари назван в честь итальянского физика Эмилио Виллари, который открыл данное явление в 1865 году. Явление именуется также магнитоупругим эффектом. Его физическая суть заключается в изменении магнитной проницаемости, а также связанных с ней магнитных свойств ферромагнетиков при механической деформации образцов, из данных ферромагнетиков изготовленных. На данном принципе основывается работа магнитоупругих измерительных преобразователей.
Для примера можно взглянуть на петли гистерезиса пермаллоя и никеля в условиях действия на изготовленные из данных материалов образцы механического растяжения. Так, при растяжении образца из никеля, с ростом напряжения растяжения - петля гистерезиса наклоняется. Это значит, что чем больше растяжение никеля — тем меньше его магнитная проницаемость. Остаточная индукция при растяжении никеля также уменьшается. А пермаллой — наоборот.
Когда образец пермаллоя растягивают, форма его петли гистерезиса приближается к прямоугольной, значит магнитная проницаемость пермаллоя при растяжении увеличивается, остаточная индукция также растет. Если напряжение сменяется с растяжения на сжатие, то и знак изменения магнитных параметров сменяется на противоположный.
Причина проявления эффекта Виллари ферромагнетиками при деформации заключается в следующем. Когда на ферромагнетик действует механическое напряжение, это изменяет его доменную структуру, то есть границы доменов смещаются, их векторы намагниченности поворачиваются. Это подобно намагничиванию сердечника током. Если данные процессы имеют одинаковое направление, то магнитная проницаемость возрастает, если же направление процессов противоположно — уменьшается.
Эффект Виллари обратим, поэтому его называют обратным магнитострикционным эффектом. Эффект прямой магнитострикции заключается в деформации ферромагнетика под действием приложенного к нему магнитного поля, что также приводит к смещению границ доменов, к повороту векторов магнитных моментов, при этом кристаллическая решетка вещества изменяет свое энергетическое состояние из-за изменения равновесных расстояний ее узлов, из-за смещения атомов со своих исходных мест. Кристаллическая решетка деформируется так, что для некоторых образцов (железо, никель, кобальт, их сплавы и т.д.) относительное удлинение доходит до 0,01.
Итак, магнитострикция — свойства некоторых ферромагнитных металлов и сплавов деформироваться (сокращаться или расширяться) при намагничивании и, наоборот, изменять намагничение при механических деформациях.
Это явление используется для осуществления магнитострикционных резонаторов, в которых наступает механический резонанс пол действием переменных магнитных полей. Магнитострикционные резонаторы могут быть изготовлены для частот до 100 кгц и даже выше и на этих частотах находят себе различные применения для стабилизации частоты (аналогично пьезокварцам) для получения ультразвуков и т д.
С позиции магнитоупругого эффекта, материал можно характеризовать таким параметром как коэффициент магнитоупругой чувствительности. Он определяется как отношение изменения относительной магнитной проницаемости вещества к его относительной деформации или к приложенному механическому напряжению. А так как относительное изменение длины и механическое напряжение связаны законом Гука, то и коэффициенты связаны друг с другом через модуль Юнга:
Изменение магнитной проницаемости материала при его деформации может быть преобразовано в электрический сигнал при помощи индуктивного измерения (индуктивное или взаимоиндуктивное преобразование).
Известно, что индуктивность катушки на замкнутом магнитопроводе постоянного сечения находится по следующей формуле:
Если теперь магнитопровод деформировать действием некой внешней силы, то изменятся геометрические размеры и магнитная проницаемость магнитопровода (сердечника катушки). Таким образом, при механической деформации изменяется индуктивность катушки. Изменение индуктивности можно вычислить с помощью дифференцирования:
Ферромагнитные материалы с сильно выраженным эффектом Виллари позволяют принять:
Для взаимоиндуктивного измерительного преобразования изменяется взаимная индуктивность катушек:
Эффект Виллари применяется в современных магнитоупругих измерительных преобразователях, которые позволяют измерять значительные силы и давления, механические напряжения и деформации у различных объектов.
FAQ: Эффект Виллари
Что вообще такое эффект Виллари - как объяснить ребёнку?
Представьте губку, намоченную водой: когда вы её сжимаете, вода выходит наружу. В случае с эффектом Виллари роль «воды» играет намагниченность железного стержня. Стоит надавить на стержень или растянуть его - внутренние магнитные «стрелочки» (домены) перестраиваются, и намагниченность металла меняется сама по себе, без всякого магнита снаружи. Открыл это итальянский физик Эмилио Виллари ещё в 1865 году.
Чем эффект Виллари отличается от магнитострикции - это одно и то же?
Это как вдох и выдох одного и того же лёгкого. При магнитострикции магнитное поле механически деформирует металл - он буквально сжимается или растягивается. Эффект Виллари - процесс строго обратный: механическая деформация изменяет намагниченность металла. Именно поэтому его и называют «обратным магнитострикционным эффектом».
Почему никель ведёт себя не так, как железо - разве это не один и тот же металл?
Нет, характер эффекта зависит от знака магнитострикции конкретного материала. Никель при намагничивании сжимается (отрицательная магнитострикция), поэтому при растяжении он «не хочет» намагничиваться - его намагниченность падает. Железо же при небольших полях, напротив, охотнее намагничивается под растягивающей нагрузкой, пока не достигнет так называемой «точки Виллари», после которой поведение меняется на противоположное.
Где в обычной жизни или технике встречается этот эффект?
Каждый раз, когда вы взвешиваете автомобиль на весовом посту или измеряете усилие в промышленном прессе, скорее всего, работает магнитоупругий датчик, основанный именно на эффекте Виллари. Датчик содержит ферромагнитный сердечник: под нагрузкой его намагниченность меняется, что фиксируется катушкой как изменение напряжения. Такие датчики ценят за нечувствительность к загрязнениям и способность работать при высоких температурах.
Может ли случайный удар или вибрация «испортить» магнит или трансформатор через этот эффект?
Да, и это реальная проблема в электротехнике. Если статор электродвигателя или генератора запрессован с натягом в корпус, механические напряжения через эффект Виллари изменяют магнитную проницаемость сердечника - машина начинает работать хуже, чем рассчитывалось. Именно поэтому инженеры при проектировании силовых машин специально оговаривают допустимые усилия при сборке.
Можно ли использовать этот эффект для «прослушивания» состояния металлических конструкций - мостов, трубопроводов?
Именно так и устроен один из методов неразрушающего контроля. В намагниченной стальной трубе или рельсе механические напряжения от трещины или зоны усталости локально изменяют намагниченность - эта «магнитная неоднородность» регистрируется снаружи специальными датчиками. По сути, металл сам «рассказывает» о своих внутренних напряжениях через изменение магнитного поля.
Андрей Повный