Кіріспе

Магниттелген кезде пішінін өзгертетін материалдардың қасиеті – магниттік материалдардың магниттелу процесінде пішіні немесе өлшемдерінің өзгеруіне себеп болатын қасиет. Материалдардың магниттелуі қолданылған магнит өрісіне байланысты өзгереді, бұл магниттік-стриктивті деформацияны λ қанығу мәніне жеткенше өзгертеді. Бұл құбылысты алғаш рет 1842 жылы Джеймс Джоул темір үлгісін бақылап анықтаған. Магниттік-стрикция магниттік өрістерге, ал электрострикция электр өрістеріне қатысты. Магнитострикция сезімтал ферромагниттік ядролардағы үйкеліс салдарынан энергия жоғалуына әкеледі, сонымен қатар трансформаторлардан естілетін төмен жиілікті гуылды дыбысқа да себеп болады, онда айнымалы токтар өзгермелі магнит өрісін тудырады.

Түсіндірме

Ішкі жағынан ферромагниттік материалдардың құрылымы домендерге бөлінеді, олардың әрқайсысы біркелкі магниттелу аймағы болып табылады. Магниттік өріс қолданылғанда, домендер арасындағы шекаралар жылжиды және домендер бұрылады; осы екі эффектінің нәтижесінде материалдың өлшемдері өзгереді. Материалдың магниттік домендерінің өзгеруі материалдың өлшемдерінің өзгеруіне себеп болатыны магнитокристалдық анизотропияның салдары болып табылады; кристаллдық материалды бір бағытта магниттеу үшін, басқа бағытқа қарағанда көбірек энергия қажет. Егер магниттік өріс материалға магниттелудің жеңіл осіне бұрышпен қолданылса, материал жүйенің бос энергиясын азайту үшін жеңіл осін өріспен сәйкестендіруге бейімделеді. Кристаллдың әртүрлі бағыттары әртүрлі ұзындықтармен байланысты болғандықтан, бұл эффект материалда деформация тудырады. Механикалық кернеуге ұшыраған кезде материалдың магниттік сезімталдығының (қолданған өріске жауап беру қабілетінің) өзгеруі Виллари эффектісі деп аталады. Магнетострикциямен байланысты тағы екі эффект бар: Матеучи эффектісі – бұл магниттік стрикциялық материалға бұрылыс күші қолданғанда сезімталдықтың спиральді анизотропиясының пайда болуы, ал Видеманн эффектісі – спиральді магниттік өріс қолданғанда осы материалдардың бұрылуы. Виллари керілімі – темірдің магниттік стрикциясының шамамен 40 кА/м магниттік өрістерге ұшырағанда оңнан теріске өзгеруі. Магниттелу кезінде магниттік материалдың көлемі аз өзгеріске ұшырайды: шамамен 10−6 деңгейінде.

Магниттік-стриктивті гистерезистік цикл

Ағымы тығыздығы сияқты, магнитострикция да магниттеу өрісінің күшіне қатысты гистерезис көрсетеді. Бұл гистерезис циклiнiң пішінi ("қоңыз циклi" деп аталады) Джайлс-Атертон моделі арқылы қайта жасай беруге болады.

Магниттік-стриктивті материалдар

Магниттік-стриктивті материалдар магниттік энергияны кинетикалық энергияға немесе керісінше айналдырады және актуаторлар мен сенсорларды жасау үшін қолданылады. Бұл қасиет магнитостриктивті коэффициент, λ арқылы өлшенеді, ол оң немесе теріс болуы мүмкін және материалдың магниттелуі нөлден қанығу мәніне дейін өскенде ұзындығының пайыздық өзгеруі ретінде анықталады. Бұл эффект трансформаторлар мен жоғары қуатты электр құрылғыларының жанында естілетін таныс "электрлік гул" үшін жауапты. Кобальт бөлме температурасында 60 микроштаммдық таза элементтің ең үлкен магнитострикциясын көрсетеді. Қорытпалардың арасында ең жоғары магнитострикция Терфенол D-ге (Ter – тербий үшін, Fe – темір үшін, NOL – Әскери-теңіз зертханасы үшін және D – диспрозий үшін) тән. Терфенол D, Tb{x}Dy{1−x}Fe2, бөлме температурасында 160 кА/м (2 кОе) магниттік өрісте 2000 микроштаммды көрсетеді және инженерлік магнитостриктивті материал ретінде ең көп қолданылады. Гальфенол, Fe{x}Ga{1−x}, және Альфер, Fe{x}Al{1−x}, – төменгі қолданылған өрістерде (~200 О) 200-400 микроштаммды көрсететін және хрупқылы Терфенол D-ден жақсы механикалық қасиеттері бар жаңа қорытпалар. Бұл қорытпалардың екеуі де магнитострикция үшін <100> жеңіл осіне ие және сенсорлар мен актуаторларға қолдану үшін жеткілікті пластикалық қасиеттерді көрсетеді. Тағы бір кең таралған магнитостриктивті композит – аморфты қорытпа Fe81Si{3.5}B{13.5}C2, саудалық атауы Metglas 2605SC. Бұл материалдың артықшылықты қасиеттері – оның жоғары қанығу магнитострикциялық тұрақтысы, λ, шамамен 20 микроштамм және одан да көп, сонымен қатар магниттік анизотропияның төменгі өріс күші, HA, 1 кА/м-ден аз (магниттік қанығуға жету үшін). Metglas 2605SC сондай-ақ тиімді Янг модулін 80%-ға дейін төмендетіп, өте күшті ΔE эффектін көрсетеді. Бұл энергия тиімді магниттік МЭМС құрылғыларын жасауға көмектеседі. Кобальт ферриті, CoFe2O4 (CoO·Fe2O3), сенсорлар мен актуаторлар сияқты магнитостриктивті қолданыстар үшін де қолданылады, себебі оның жоғары қанығу магнитострикциясы (~200 миллионнан бір бөлік). Сирек кездесетін жер элементтері болмағандықтан, ол Терфенол D-ге жақсы балама болып табылады. Сонымен қатар, оның магнитостриктивті қасиеттерін магниттік бір осьті анизотропияны тудыру арқылы реттеуге болады. Бұл магниттік оттыру, магниттік өріс көмегімен ығыстыру немесе бір осьті қысым астында реакция жүргізу арқылы іске асырылуы мүмкін. Соңғы шешім, жанып тұратын плазмалық ақтауды қолданудың арқасында, өте жылдам (20 минут) болу артықшылығына ие. Екінші дүниежүзілік соғыс кезіндегі алғашқы сонар түрлендіргіштерінде никель магнитостриктивті материал ретінде қолданылған. Никель тапшылығын азайту үшін жапондық әскери-теңіз күштері Alperm отбасынан темір-алюминий қорытпасын қолданды.

Доменді сәйкестендіруді тудыратын қысымды кернеу

Активаторларда қолдану үшін магниттік моменттердің максималды бұрылуы ең жоғары мүмкін магниттік тартылу нәтижесін береді. Мұндай нәтижеге кернеумен қалыптастыру және магниттік өріспен қалыптастыру сияқты өңдеу әдістері арқылы қол жеткізуге болады. Дегенмен, жұқа парақтарға, кернеу бүктелу шегінен аспаса, иілгіш бойына перпендикуляр бағытталуды тудыру үшін механикалық алдын ала кернеулер де қолданылуы мүмкін. Мысалы, ~50 МПа дейінгі сығу алдын ала кернеуін қолдану магнитострикцияны ~90%-ға дейін арттыруға мүмкіндік беретіні көрсетілді. Бұл, қолданылған кернеуге перпендикуляр домендердің бастапқы бағытталуындағы "секіруге" және қолданылған кернеуге параллель соңғы бағытталудың жақсаруына байланысты деп болжанады.

Магнитостриктивті материалдардың құраушылық мінез-құлқы

Бұл материалдар, әдетте, қолданылатын магнит өрісінің немесе кернеудің өзгеруімен сызықтық емес мінез-құлықты көрсетеді. Кішкентай магнит өрістері үшін сызықтық пьезомагниттік конститутивтік мінез-құлық жеткілікті. Сызықтық емес магниттік мінез-құлықты Прейсак моделі және Джайлс-Атертон моделі сияқты классикалық макроскопиялық модельдер арқылы сипаттауға болады. Магниттік-механикалық мінез-құлықты түсіру үшін Армстронг "энергиялық орташа" тәсілін ұсынды. Соңғы кезде Вахи және авторлар тобы конститутивтік мінез-құлықты "жергілікті сызықтықтандыру" схемасын қолданатын, есептеулерде тиімді конститутивтік модельді ұсынды.