Заморозьте воду — и она расширится, потому что при замерзании ее молекулы выстроятся в структуру определенной формы, при которой вода займет больший объем, нежели та же вода в жидком состоянии.
Похожим образом ведет себя намагничиваемое тело, например, помещенное во внешнее магнитное поле: состояние намагниченности тела изменяется, в результате, в большей или в меньшей степени, изменяются и линейные размеры данного тела. В этом и заключается явление, называемое магнитострикцией.
Физикам хорошо известно, что намагниченность тела может изменяться не только в результате непосредственно намагничивания, но и в результате фазового перехода.
Если расплавить намагниченный кусок железа, намагниченность железа изменится. Так или иначе, что бы ни явилось истинной причиной изменения магнитного состояния тела, если при этом изменяются его линейные размеры, - значит мы наблюдаем магнитострикцию.
Магнитострикцию как явление открыл и описал английский физик Джеймс Прескотт Джоуль. Он сделал это в феврале 1841 года в своей статье под названием «On a new class of magnetic forces», напечатанной в издании «The Annals of Electricity, Magnetism, and Chemistry; and Guardian of Experimental Science, Volume 8» на стр. 219-224.
Суть его открытия состояла в том, что при охлаждении ферромагнетика или ферромагнитика ниже точки Кюри, в образце появляется спонтанная намагниченность, при этом происходит деформация кристаллической решетки в объеме охлаждаемого вещества.
Можно сказать, что магнитострикция — это деформация кристаллической решетки вещества, при которой изменяется состояние его намагниченности.
Во время магнитострикции могут изменяться как линейные размеры предмета, так и его объем. Кроме того линейные изменения могут происходить вдоль намагничивающего поля (продольная линейная магнитострикция) либо поперек него (поперечная линейная магнитострикция).
Магнитострикция - это явление, при котором размеры и форма тела изменяются при его намагничивании. Это связано с изменением взаимодействий между атомами в кристаллической решетке под влиянием магнитного поля. Магнитострикция может быть линейной или объемной, анизотропной или изотропной, в зависимости от типа материала и направления намагниченности.
Порядок относительных изменений линейных размеров, характерных для разных веществ, лежит в диапазоне от 0,000001 до 0,01 от исходного размера.
Несмотря на кажущиеся столь небольшими относительные изменения размеров образца, магнитострикция связана с магнитными свойствами вещества и с образованием доменных магнитных структур.
Кроме того имеют место многочисленные технические приложения магнитострикции: линии задержки, фильтры, приемники и излучатели в ультразвуковом диапазоне.
Лучшие показатели магнитострикции наблюдаются у соединений и сплавов редкоземельных металлов, худшие — у пара- и диамагнетиков.
Величина и направление намагниченности влияет на магнитострикцию. К примеру, для кубических кристаллов анизотропная составляющая магнитострикции характеризуется двумя константами, показывающими относительные растяжения в кристаллографических направлениях 100 (по направлению вдоль ребра куба) и 111 (по направлению вдоль диагонали куба) при намагничивании в этих направлениях.
Константы магнитострикции могут иметь положительные и отрицательные значения, что зависит от текстуры кристалла, от его температуры, от наличия примесей и т. д.
Если в образце имеется магнитная доменная структура, то при нулевом H средняя магнитострикция может быть нулевой. Если начать повышать H, то магнитострикция начнет изменяться, описывая кривую, доходящую до состояния насыщения.
Если после достижения материалом насыщения продолжить увеличивать H, то дальнейшее вынужденное изменение величины магнитострикции будет небольшим. Теперь если начать уменьшать H, кривая изменения магнитострикции не обязательно совпадет с кривой, характерной для увеличения H. Это называется гистерезисом магнитострикции.
Мы поговорили о линейной магнитострикции. Что же касается объемной магнитострикции, то она ярко проявляет себя лишь в сильных магнитных полях (в районе 1 МА/м).
Например, для железа характерное значение объемной магнитострикции составляет 0,000019. Замечено, что объекты разной формы, даже имея один и тот же состав, отличаются величиной объемной магнитострикции (то есть наблюдается «эффект формы»).
Объемная магнитострикция зависит от температуры, поскольку при повышении температуры уменьшается спонтанная намагниченность материала и, следовательно, его магнитострикция.
Объемная магнитострикция также зависит от частоты магнитного поля, поскольку при высоких частотах материал не успевает достичь состояния насыщения и проявляет меньшую магнитострикцию.
Магнитострикция имеет много практических применений в различных областях, таких как:
- Генерация и прием ультра- и гиперзвука с помощью магнитострикционных преобразователей.
- Измерение уровня жидкости в резервуаре с помощью магнитострикционного волновода.
- Создание меток в противокражных системах, которые реагируют на магнитное поле.
- Разработка компьютерной памяти на основе магнитострикционных материалов.
- Создание магнитострикционных датчиков, актуаторов и генераторов.
Для реализации этих применений используются различные магнитострикционные материалы - это магнитно-мягкие материалы, которые сильно изменяют свои размеры и форму при намагничивании. Эти материалы используются для преобразования электромагнитной энергии в другие виды энергии, например, механическую, а также для создания датчиков давления и других устройств.
К магнитострикционным материалам относятся:
- Никель и его сплавы с железом (алфер, пермаллой), кобальтом и другими элементами. Никель имеет хорошие магнитострикционные, механические и антикоррозионные свойства. Пермендюр характеризуется большими значениями магнитострикции насыщения и намагниченности.
- Ферриты, такие как CoFe2O4, NiFe2O4 и другие. Ферриты обладают высоким удельным электросопротивлением и коррозийной стойкостью, а также низкой стоимостью.
- Некоторые редкоземельные металлы, их сплавы и соединения, такие как тербий, диспрозий, гадолиний и другие. Эти материалы имеют очень большую магнитострикцию, но требуют высоких магнитных полей для работы.
«
Подписывайтесь на наши каналы в Telegram:
Школа для электрика и Электрика, электромонтажные работы
Вопросы и ответы
Может ли магнитострикция разрушать оборудование?
Да, при определённых условиях магнитострикция способна приводить к усталостным повреждениям и разрушению деталей, особенно в мощных трансформаторах, электромагнитах и магнитострикционных преобразователях. Постоянные циклы «сжатие–растяжение» создают механические напряжения, которые ускоряют развитие трещин, расслоений и разрыхление соединений.
Чтобы снизить риск, используют специальные магнитострикционные сплавы с оптимальными константами, правильно ориентируют кристаллографические направления и вводят конструктивные меры демпфирования вибраций.
Почему в трансформаторах слышен «гул» и как здесь участвует магнитострикция?
Характерный гул силовых трансформаторов связан главным образом с магнитострикционными деформациями магнитопровода, которые при переменном магнитном поле происходят два раза за период и вызывают механические колебания с удвоенной частотой сети. Эти колебания через крепления передаются на бак, фундамент и окружающие конструкции, поэтому слышны на расстоянии.
Снижение шума достигается применением малоуглеродистых и анизотропных электротехнических сталей с оптимальными магнитострикционными свойствами, качественной шихтовкой и зажимом сердечника, а также установкой демпфирующих элементов и звукоизоляции.
Чем магнитострикционные актуаторы принципиально отличаются от пьезоактуаторов?
Магнитострикционные актуаторы развивают очень большие усилия и хорошо работают под высокими нагрузками, при этом управляются током и не требуют высоких напряжений, как пьезоэлементы. Они устойчивы к старению и деполяризации, менее чувствительны к ряду температурных воздействий и хорошо переносят жёсткие механические условия.
Однако их ход деформации обычно меньше, чем у некоторых пьезоматериалов, требуется магнитная система (катушка, магнитопровод), а также учёт нагрева и насыщения для получения линейной и предсказуемой характеристики.
Почему гигантская магнитострикция связана с редкоземельными сплавами и в чём её физический смысл?
Гигантская магнитострикция наблюдается в сплавах на основе редкоземельных элементов и железа (например, соединения тербия и диспрозия с железом), где магнитные моменты сильно связаны с кристаллической решёткой. При изменении намагниченности в таких веществах меняется не только ориентация доменов, но и глубоко модифицируется энергия обменного и орбитального взаимодействий, что приводит к аномально большим деформациям.
Физический смысл состоит в крайне сильной связи между магнитным порядком и упругой подсистемой кристалла: изменение магнитного состояния сразу же «перестраивает» решётку, поэтому даже умеренное магнитное поле способно породить значительную механическую реакцию.
Почему при нулевом магнитном поле магнитострикция может быть нулевой, хотя материал ферромагнитен?
В ферромагнетике при отсутствии внешнего поля кристалл разбит на домены с различной ориентацией намагниченности, и их вклад в деформацию взаимно компенсируется, давая практически нулевое среднее изменение размеров. При приложении поля доменная структура перестраивается: одни домены растут, другие сжимаются, и суммарная деформация становится измеримой.
По мере роста поля материал приближается к состоянию насыщения, домены ориентируются преимущественно в одном направлении, и магнитострикция достигает максимума; дальнейшее увеличение поля даёт лишь небольшое дополнительное изменение размеров.
Как учесть гистерезис магнитострикции при моделировании датчиков и исполнительных устройств?
Гистерезис означает, что деформация при росте и при снижении поля различается, и поэтому соотношение «поле–деформация» нельзя считать однозначной линейной функцией. При численном моделировании применяют нелинейные конститутивные модели, учитывающие как магнитный, так и механический гистерезис, а также зависимость от предыстории нагружения.
На практике для датчиков и актуаторов ограничивают рабочий диапазон полей и напряжений так, чтобы устройство работало в слабо гистерезисной части характеристики, либо используют алгоритмы калибровки и коррекции, компенсирующие нелинейность и гистерезис по результатам измерений.
Какие ограничения по температуре и внешним полям важны для магнитострикционных датчиков линейного перемещения?
При приближении к точке Кюри спонтанная намагниченность материала уменьшается, что ведёт к падению магнитострикции и ухудшению чувствительности датчика. Длительное воздействие высоких температур может привести к размагничиванию постоянных магнитов и изменению свойств ферромагнитного волновода, поэтому производители задают допустимый диапазон рабочих температур.
Внешние магнитные поля и токи, протекающие рядом, могут искажать магнитное поле позиционного магнита и вызывать ошибки измерения, поэтому требуется экранирование, правильная прокладка кабелей и учёт помех при проектировании системы.
Смотрите также: Эффект Виллари, магнитоупругий эффект - явление обратное магнитострикции
Повный Андрей Владимирович, преподаватель Филиала УО Белорусский государственный технологический университет "Гомельский государственный политехнический колледж"