Odwrotny efekt magnetostrykcyjny

Odwrotny efekt magnetostrykcyjny , efekt magnetosprężysty lub efekt Villariego , od nazwiska jego odkrywcy Emilio Villariego , to zmiana podatności magnetycznej materiału poddawanego naprężeniom mechanicznym.

Wyjaśnienie

Magnetostrykcja $charakteryzuje zmianę kształtu materiału ferromagnetycznego podczas magnesowania,$ $magnetycznego$ magnetostrykcyjny charakteryzuje zmianę namagnesowania próbki $($ danego natężenia pola ) . gdy na $próbkę$ przykładane są naprężenia

Jakościowe wyjaśnienie efektu magnetosprężystego

$Przy$ danym jednoosiowym naprężeniu mechanicznym $.$ dla danego natężenia pola magnetycznego $może$ wzrosnąć lub Sposób, w jaki materiał reaguje na naprężenia, zależy od jego magnetostrykcji nasycenia ${\ displaystyle \ lambda _ {s}}$ . W tej analizie naprężenia ściskające $.$ uważane za ujemne, podczas gdy naprężenia rozciągające są dodatnie Według Zasada Le Chateliera :

${\ Displaystyle \ lewo ({\ Frac {d \ lambda}} {dH}} \ prawo) _ {\ sigma} = \ lewo ({\ Frac {dB }{d\sigma }}\right)_{H}}$

$Oznacza$ , że gdy iloczyn $pod$ dodatni, gęstość strumienia stresu. $jest$ drugiej strony, gdy iloczyn $,$ gęstość strumienia maleje pod . Efekt ten został potwierdzony eksperymentalnie.

Ilościowe wyjaśnienie efektu magnetosprężystego

W przypadku pojedynczego naprężenia działającego na pojedynczą domenę magnetyczną, gęstość energii odkształcenia magnetycznego $można$ wyrazić jako: $sigma}}$

${\ Displaystyle E _ {\ sigma} = {\ Frac {3} {2}} \ lambda _ {s} \ sigma \ sin ^ {2} (\ teta )}$

gdzie $jest$ rozszerzeniem magnetostrykcyjnym przy nasyceniu, a $kątem między$ nasycenia a kierunkiem naprężenia Kiedy oba są dodatnie ( jak w naprężonym $żelazie$ $) , energia jest minimalna dla$ ${s}}$ = 0, tj. gdy napięcie jest wyrównane z namagnesowaniem nasycenia. W konsekwencji namagnesowanie jest zwiększane przez napięcie.

Efekt magnetoelastyczny w pojedynczym krysztale

W rzeczywistości magnetostrykcja jest bardziej złożona i zależy od kierunku osi kryształu. W żelazie osie [100] są kierunkami łatwego namagnesowania, podczas gdy wzdłuż kierunków [111] jest mało namagnesowania (chyba że namagnesowanie zbliża się do namagnesowania nasycenia, co prowadzi do zmiany orientacji domeny z [111] na [100]). Ta anizotropia magnetyczna skłoniła autorów do zdefiniowania dwóch niezależnych magnetostrykcji podłużnych i λ $lambda$ $_ {111}}$

W materiałach sześciennych magnetostrykcja wzdłuż dowolnej osi może być zdefiniowana przez znaną liniową kombinację tych dwóch stałych. Na przykład wydłużenie $displaystyle \ lambda _ {111}}$ ] jest liniową kombinacją i ${\$ .
Przy założeniu $namagnesowanie$ izotropowej (tj. domeny takie samo we wszystkich kierunkach krystalograficznych zależność między energią sprężystą a naprężeniem jest zachowana ${\ Displaystyle E _ {\ sigma} = {\ Frac {3} {2}} \ lambda \ sigma (\ alfa _ {1} \ gamma _ {1} + \ alfa _ {2} \ gamma _{2}+\alpha_{3}\gamma_{3})^{2}}$ . Tutaj ${\ Displaystyle \ alpha _ {1}}$ , ${\ Displaystyle \ alpha _ {2}}$ i ${\ Displaystyle \ alpha _ {3}}$ są cosinusami kierunku namagnesowania domeny i ${\ Displaystyle \ gamma _ {1}}$ , ${\ Displaystyle \ gamma _ {2}}$ , ${\ displaystyle \ gamma _ {3}}$ te z kierunków wiązań, w kierunku kierunków krystalograficznych.

Metoda badania właściwości magnetosprężystych materiałów magnetycznych

Metoda odpowiednia do efektywnego badania efektu magnetosprężystego w materiałach magnetycznych powinna spełniać następujące wymagania:

obwód magnetyczny badanej próbki powinien być zamknięty. Otwarty obwód magnetyczny powoduje rozmagnesowanie , co zmniejsza efekt magnetosprężysty i komplikuje jego analizę.
rozkład naprężeń powinien być równomierny. Wartość i kierunek naprężeń powinny być znane.
powinna istnieć możliwość wykonania na próbce uzwojeń magnesujących i czujnikowych - niezbędnych do pomiaru pętli histerezy magnetycznej pod wpływem naprężeń mechanicznych.

Opracowano następujące metody badawcze:

naprężenia rozciągające przyłożone do paska materiału magnetycznego w kształcie wstęgi. Wada: otwarty obwód magnetyczny badanej próbki.
naprężenia rozciągające lub ściskające przyłożone do próbki w kształcie ramy. Wada: badać można tylko materiały sypkie. Brak naprężeń w połączeniach kolumn próbki.
naprężenia ściskające przyłożone do rdzenia pierścienia w kierunku bocznym. Wada: nierównomierny rozkład naprężeń w rdzeniu.
naprężenia rozciągające lub ściskające przyłożone osiowo do próbki pierścienia. Wada: naprężenia są prostopadłe do pola magnesującego.

Zastosowania efektu magnetosprężystego

Efekt magnetosprężysty może być wykorzystany do budowy czujników siły . Efekt ten wykorzystano dla czujników:

w inżynierii lądowej .
do monitorowania dużych silników spalinowych w lokomotywach .
do monitorowania zaworów kulowych .
do monitoringu biomedycznego.

Odwrotne efekty magnetosprężyste należy również rozpatrywać jako efekt uboczny przypadkowego lub celowego przyłożenia naprężeń mechanicznych do rdzenia magnetycznego elementu indukcyjnego, np. bramek strumienia lub stojanów generatora/silnika , gdy są one instalowane z pasowaniem ciasnym.

Zobacz też