Обратный магнитострикционный эффект

Обратный магнитострикционный эффект , магнитоупругий эффект или эффект Виллари , по имени его первооткрывателя Эмилио Виллари , представляет собой изменение магнитной восприимчивости материала под воздействием механического напряжения.

Объяснение

Магнитострикция характеризует изменение формы ферромагнитного материала при намагничивании, тогда как обратный магнитострикционный эффект характеризует изменение намагниченности образца (при заданной напряженности намагничивающего поля ) при приложении к образцу механических напряжений . ^[1] $\лямбда$ $М$ $H$ $\сигма$

Качественное объяснение магнитоупругого эффекта

При заданном одноосном механическом напряжении плотность потока для заданной напряженности намагничивающего поля может увеличиваться или уменьшаться. То, как материал реагирует на напряжения, зависит от его магнитострикции насыщения . Для этого анализа сжимающие напряжения считаются отрицательными, тогда как растягивающие напряжения — положительными. Согласно принципу Ле Шателье : $\сигма$ $Б$ $H$ $\lambda _{s}$ $\сигма$

$\left({\frac {d\lambda }{dH}}\right)_{\sigma }=\left({\frac {dB}{d\sigma }}\right)_{H}$

Это означает, что когда произведение положительно, плотность потока увеличивается под напряжением. С другой стороны, когда произведение отрицательно, плотность потока уменьшается под напряжением. Этот эффект был подтвержден экспериментально. ^[2] $\сигма \лямбда _{s}$ $Б$ $\сигма \лямбда _{s}$ $Б$

Количественное объяснение магнитоупругого эффекта

В случае единичного напряжения, действующего на единичный магнитный домен, плотность энергии магнитной деформации может быть выражена как: ^[1] $\сигма$ $E_{\сигма}$

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

где - магнитострикционное расширение при насыщении, а - угол между намагниченностью насыщения и направлением напряжения. Когда и оба положительны (как в железе под напряжением), энергия минимальна при = 0, т.е. когда напряжение совпадает с намагниченностью насыщения. Следовательно, намагниченность увеличивается при напряжении. $\lambda _{s}$ $\тета$ $\lambda _{s}$ $\сигма$ $\тета$

Магнитоупругий эффект в монокристалле

На самом деле магнитострикция более сложна и зависит от направления осей кристалла. В железе оси [100] являются направлениями легкого намагничивания, в то время как вдоль направлений [111] намагниченность невелика (если только намагниченность не становится близкой к намагниченности насыщения, что приводит к изменению ориентации домена с [111] на [100]). Эта магнитная анизотропия подтолкнула авторов к определению двух независимых продольных магнитострикций и . $\lambda _{100}$ $\lambda _{111}$

В кубических материалах магнитострикция вдоль любой оси может быть определена известной линейной комбинацией этих двух констант. Например, удлинение вдоль [110] является линейной комбинацией и . $\lambda _{100}$ $\lambda _{111}$
В предположении изотропной магнитострикции (т.е. намагниченность доменов одинакова в любых кристаллографических направлениях) и сохраняется линейная зависимость между упругой энергией и напряжением, . Здесь , и - направляющие косинусы намагниченности доменов, а , , - направления связей, в направлении кристаллографических направлений. $\lambda _{100}=\lambda _{111}=\lambda$ $E_{\sigma }={\frac {3}{2}}\lambda \sigma (\alpha _{1}\gamma _{1}+\alpha _{2}\gamma _{2}+\alpha _{3}\gamma _{3})^{2}$ $\альфа _{1}$ $\альфа _{2}$ $\альфа _{3}$ $\гамма _{1}$ $\гамма _{2}$ $\гамма _{3}$

Метод испытания магнитоупругих свойств магнитных материалов

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

Магнитная цепь испытуемого образца должна быть замкнутой. Разомкнутая магнитная цепь вызывает размагничивание , что снижает магнитоупругий эффект и затрудняет его анализ.
Распределение напряжений должно быть равномерным. Величина и направление напряжений должны быть известны.
должна быть предусмотрена возможность изготовления на образце намагничивающей и измерительной обмоток, необходимых для измерения петли магнитного гистерезиса при механических нагрузках.

Были разработаны следующие методы испытаний:

растягивающие напряжения, приложенные к полосе магнитного материала в форме ленты. ^[4] Недостаток: разомкнутая магнитная цепь испытуемого образца.
растягивающие или сжимающие напряжения, приложенные к образцу в форме рамки. ^[5] Недостаток: можно испытывать только сыпучие материалы. Напряжения в соединениях колонн образца отсутствуют.
сжимающие напряжения, приложенные к кольцевому сердечнику в боковом направлении. ^[6] Недостаток: неравномерное распределение напряжений в сердечнике.
растягивающие или сжимающие напряжения, приложенные в осевом направлении к кольцевому образцу. ^[7] Недостаток: напряжения перпендикулярны намагничивающему полю.

Применение магнитоупругого эффекта

Магнитоупругий эффект может быть использован при разработке датчиков силы . ^[8]^[9] Этот эффект был использован для датчиков:

в гражданском строительстве . ^[4]
для мониторинга больших дизельных двигателей в локомотивах . ^[10]
для контроля шаровых кранов . ^[10]
для биомедицинского мониторинга. ^[11]

Обратные магнитоупругие эффекты также следует рассматривать как побочный эффект случайного или преднамеренного приложения механических напряжений к магнитному сердечнику индуктивного компонента, например, феррозондов или статоров генераторов/двигателей при установке с натягом. ^[12]

Ссылки

^ ab Bozorth, R. (1951). Ферромагнетизм . Ван Ностранд.
^ Салах, Й.; Шевчик, Р.; Бьенковский, А.; Фридрих, П. (2010). «Методология испытаний магнитоупругих характеристик кольцевых сердечников при равномерных сжимающих и растягивающих напряжениях» (PDF) . Журнал электротехники . 61 (7): 93.
^ Бьенковски, А.; Колано, Р.; Шевчик, Р. (2003). «Новый метод характеристики магнитоупругих свойств аморфных кольцевых сердечников». Журнал магнетизма и магнитных материалов . 254 : 67–69. Bibcode : 2003JMMM..254...67B. doi : 10.1016/S0304-8853(02)00755-2.
^ ab Bydzovsky, J.; Kollar, M.; Svec, P.; et al. (2001). "Магнитоупругие свойства аморфных лент CoFeCrSiB - возможность их применения" (PDF) . Журнал электротехники . 52 : 205.
^ Бьенковски, А.; Рознятовски, К.; Шевчик, Р. (2003). «Влияние напряжения и его зависимость от микроструктуры в феррите Mn-Zn для применения в силовой технике». Журнал магнетизма и магнитных материалов . 254 : 547–549. Bibcode : 2003JMMM..254..547B. doi : 10.1016/S0304-8853(02)00861-2.
^ Mohri, K.; Korekoda, S. (1978). «Новые силовые преобразователи с использованием аморфных ленточных сердечников». IEEE Transactions on Magnetics . 14 (5): 1071–1075. Bibcode : 1978ITM....14.1071M. doi : 10.1109/TMAG.1978.1059990.
^ Szewczyk, R.; Bienkowski, A.; Salach, J.; et al. (2003). "Влияние микроструктуры на характеристики компрессионного напряжения нанокристаллических датчиков типа FINEMET" (PDF) . Журнал оптоэлектроники и передовых материалов . 5 : 705.
^ Бьенковский, А.; Шевчик, Р. (2004). «Возможность использования магнитных материалов с высокой проницаемостью в конструкции магнитоупругих датчиков напряжения и силы». Датчики и приводы A - Физические . 113 (3). Elsevier: 270–276. doi :10.1016/j.sna.2004.01.010.
^ Бьенковский, А.; Шевчик, Р. (2004). «Новая возможность использования аморфных кольцевых сердечников в качестве датчика напряжения». Physica Status Solidi A. 189 ( 3): 787–790. Bibcode :2002PSSAR.189..787B. doi :10.1002/1521-396X(200202)189:3<787::AID-PSSA787>3.0.CO;2-G.
^ ab Bienkowski, A.; Szewczyk, R.; Salach, J. (2010). "Промышленное применение датчиков магнитоупругой силы и крутящего момента" (PDF) . Acta Physica Polonica A . 118 (5): 1008. Bibcode :2010AcPPA.118.1008B. doi : 10.12693/APhysPolA.118.1008 .
^ Мейдан, Т.; Одунку, Х. (1997). «Улучшение магнитострикционных свойств аморфных лент для биомедицинского применения». Датчики и приводы A - Физические . 59 (1–3). Elsevier: 192–196. doi :10.1016/S0924-4247(97)80172-0.
^ Szewczyk, R.; Bienkowski, A. (2004). "Зависимость чувствительности феррозондового датчика от напряжения". Датчики и приводы A - Физические . 110 (1–3). Elsevier: 232. doi :10.1016/j.sna.2003.10.029.