Magnetostriktsioon

Allikas: Vikipeedia
Jump to navigation Jump to search
Magnetostriktsiooni animatsioon

Magnetostriktsioon (vrd elektrostriktsioon) on ferromagnetiliste materjalide omadus muuta magnetvälja toimel oma mõõtmeid (analoogiliselt pieso-pöördefektiga).[1]

Efekti täheldas esimest korda James Joule 1842. aastal uurides raua proove.[2] Magnetostriktiivne efekt ilmneb lisaks näiteks niklil, nikli-raua sulamitel ja mõnel ferriidil (näiteks NiFeO4).

Tundlikes ferromagnetilistes südamikes põhjustab magnetostriktiivne efekt sisemisi hõõrdejõude, mis omakorda tekitab südamikes soojuslikke energiakadusid. Samuti põhjustab efekt vahelduvvoolu trafodes ja muudes kõrgpingelistes seadeldistes madalasageduslikku suminat. [3] (Helifaili info Listen )

Seletus[muuda | muuda lähteteksti]

Ferromagnetiliste materjalide seesmine struktuur koosneb magnetilistest domeenidest, millest igaüks kujutab endast ühtlase magnetilise polarisatsiooniga piirkonda. Välise magnetvälja korral domeenidevahelised piirid nihkuvad ning domeenid pöörduvad – mõlemad nähtused põhjustavad materjali mõõtmete muutust.

Magnetostriktiivset efekti kirjeldatakse kvantitatiivselt magnetostriktsiooni konstandiga λs, mis on defineeritud materjali suhtelise pikkuse muutuse kaudu materjali magnetiseerituse muutmisel nullnivoost küllastusväärtuse saavutamiseni. Matemaatiliselt on see võrdeline suhtega Δl/l magnetvälja rakendamisel piki kergmagneetimistellge (easy axis) ning seda mõõdetakse reeglina miljondikes (10−6). Vastav lineaarne deformatsioon Δl/l avaldub üldjuhul valemiga:

Δl/l = (3/2) λs (cos2θ -1/3),

kus θ on nurk kergmagneetumistelje ja magnetvälja suuna vahel. Magnetostriktsiooni konstant λs võib olla nii positiivne (keha pikeneb magnetväljas) kui ka negatiivne (keha lüheneb magnetväljas). Raual ja enamusel rauasulamitel esineb positiivne magnetostriktsioon, kuid nikkel jt on negatiivse magnetostriktsiooniga. Kui λs märki pole rõhutatud, siis eeldatakse λs positiivsust. [4]

Monokristallides sõltub magnetostriktsioon reeglina rakendatud magnetvälja suunast kristallograafiliste telgede suhtes. Materjali magnetiseerimine välise magnetvälja toimel muudab seega magnetostriktiivset pinget domeenide vahel kuni teatud küllastusväärtuse saavutamiseni.

Magnetiseerimisel muutub magnetostriktiivsete materjalide ruumala vägagi vähesel määral, muutudes esialgse ruumalaga võrreldes 10−6 korda suuremaks või väiksemaks.

Magnetostriktiivne hüstereesisilmus[muuda | muuda lähteteksti]

Mn-Zn ferriidi magnetostriktiivne hüstereesisilmus

Magnetrostriktsioon ilmutab magnetilise hüstereesi tõttu aeglustatud reageerimist välise magnetvälja tugevuse muutustele. Lisaks ei sõltu süsteemi magnetostriktsiooni ulatus mitte ainult magneetiva välja tugevusest, vaid ka varasemast materjali magneetumusest, mistõttu takistab hüsterees kui ferromagnetilise materjali omadus materjali magnetostriktiivse mõõdumuutuste ennistumist esialgsesse olekusse. Graafiliselt väljendub see sõltuvus hüstereesisilmusena.[5]

Magnetrostriktsioon ferromagnetiliste domeenide tekkes ja tasakaalustamises[muuda | muuda lähteteksti]

Ferromagnetilise materjali jagunemine domeenideks magnetostaatilise energia vähendamiseks.

Magnetiline materjal jaguneb välise magnetvälja puudumisel erinevates suundades orienteeritud magnetilisteks domeenideks, et vähendada materjali magnetostaatilist sisemist energiat.

Mida rohkem domeene on orienteeritud ühes eelistatud suunas, seda tugevam magnetväli materjali ümber tekib (joonis, a). Seetõttu eelistavad materjalid sisemise energia vähendamiseks tekitada vastassuunalise magnetväljaga väiksema ruumalaga domeene (joonis, b ja c). Kõige enam on ühes eelistatud suunas asetunud domeene näiteks ferromagneetikutes (laialdasemalt tuntud kui püsimagnetid).

Domeenide tekkimise protsess ei toimi tüüpiliselt joonisel ära toodud lihtsustatud skeemi järgi, kuna materjalis leiavad paralleelselt aset mitmed protsessid ning muud varjatud parameetrid.

Domeenide suuruse määrab n-ö "vahetusenergia" ehk energia, mis kulub kõrvuti olevate domeenide magnetväljade vastastikku suundadesse pööramiseks. Mida väiksemaks domeenid lähevad, seda väiksema efektiivsusega on magnetostaatilise energia vähendamine, kuni jõutakse tasakaalulise olukorrani, kus säästetav energia on võrdne uute domeenide seinte loomise jaoks kuluva energiaga.

Magnetostriktsioon on üks uute domeenide tekkimist takistavate energiate tekkepõhjuseks. Kuna magnetdomeenid on materjalis kindlalt piiritletud, ei saa need magnetvälja muutudes (nt. uute domeenide tekkimisel ja magnetvektorvälja ümberasetumisel) mõõtmeid muuta. Seetõttu tekivad domeenidesse mehaanilised pinged, millest üle saamiseks peab materjal uute domeenide loomiseks rohkem energiat kulutama. Vastavat energiat nimetatakse magnetokristalliliseks anisotroopia energiaks.

Magnetrostriktiivsed materjalid[muuda | muuda lähteteksti]

Magnetostriktiivsed materjalid suudavad muuta magnetvälja energiat kineetiliseks energiaks või vastupidi.

Koobalt omab elementaarsetest ainetest toatemperatuuril kõige suuremat magnetostriktiivset efekti, 6x10−5 suhtelist pikkusemuutust küllastunud olekus.

Sulamitest omab kõige suuremat magnetostriktiivset efekti Terfenol-D (Ter tähistab terbiumi, Fe rauda, NOL Naval Ordnance Laboratory – eesti k. Mere Lahingumoona Laboratooriumit ja D düsproosiumit). Terfenol-D, TexDy1-xFe2 eksponeerib 160 kA/m magnetväljas 2x10−3 suhtelist pikkusemuutust küllastunud olekus toatemperatuuril ning on inseneerias kõige kasutatavam magnetostriktiivne materjal.[6]

Pöördmagnetostriktiivsed efektid[muuda | muuda lähteteksti]

Pöördmagnetostristriktiivne efekt (tuntud kui ka magnetoelastne efekt) kirjeldab ferromagnetiliste materjalide magnetilise vastuvõtlikuse muutust mehaanilise pinge rakendamisel.

Matteucci efekt on magnetoelastse efekti erivorm, mille korral tekib materjalis väändemomendi tõttu magnetilise vastuvõtlikkuse spiraalne anisotroopia. Vastava efekti pöörd-magnetoelastne ehk magnetrostriktiivne efekt on Wiedemanni efekt, misjuhul vastavad materjalid väänduvad spiraalse välise magnetvälja rakendamisel.

Villari ümberpöördumiseks nimetatakse raua magnetrostriktsiooni märgi muutust positiivsest negatiivseks, rakendades materjalile välist magnetvälja tugevusega umbes 40,000 A/m.

Rakendused[muuda | muuda lähteteksti]

Anduri lõige, mis koosneb keskel olevast magnetrostriktiivsest materjalist, selle ümber olevast magnetiseerivast mähisest ning kõige peal olevast magnetiline korpusest.

Magnetoelastse efekti abil saab mõõta jõude, mehaanilisi pingeid ja momente. Magnetostriktiivse efekti põhjal on välja töötatud ultrahelilainete allikaid ning magnetostriktiivseid materjale kasutatakse nende energiamuutmisvõime tõttu ka aktuaatorite ning sensorite valmistamisel.

Magnetoelastsel efektil põhinevad näiteks erinevad magnetoelastsed muundurid, sh induktiivset tüüpi magnetoanisotroopsed muundurid, mis töötavad ferromagnetiliste materjalide magnetilisel anisotroopsusel ehk mitteisotroopsusel, kui neis tekivad välistest jõududest põhjustatud mehaanilised pinged.

Magnetoanisotroopne muundur 1.jpgMagnetoanisotroopne muundur 2.jpg

Anisotroopsus on materjalide magnetilise läbitavuse erinevus erinevates geomeetrilistes piirkondades. Ülal joonistel on kujutatud trafotüüpi muundurit, mille magnetsüdamik on valmistatud lehtmaterjalist ning millesse on puuritud neli ava, mis asuvad ruudu tippnurkades. Ergutusmähis W1 ja mõõtemähis W2 on paigutatud üksteise suhtes täisnurga alla, mis väldib nendevahelist induktiivset sidet.

Kui mõõtemuundur on koormamata (F = 0 – vasakpoolne muunduri joonis), siis materjalis pole magnetilist mitteisotroopsust. Ergutusmähise tekitatud magnetvoog kulgeb piki jooni, mis ei lõiku mõõtemähisega W2 ja selles ei teki elektromotoorjõudu (e.m.j). Kui rakendatakse jõudu F (parempoolne muunduri joonis), tekivad magnetsüdamikus mehaanilised pinged – sel juhul need on survepinged. Materjalis tekib magnetiline mitteisotroopsus. Positiivse magnetostriktsiooni korral magnetiline läbitavus väheneb rakendatud jõuga paralleelses suunas, kusjuures jõuga ristsihis magnetiline läbitavus väheneb. Selle tulemusena magnetvälja jõujooned moonduvad. Osa nendest jõujoontest ümbritsevad mõõtemähise ja e.m.j. Viimast on võimalik registreerida ning viia vastavusse mähisele rakendatud jõuga.[7]

Vaata ka[muuda | muuda lähteteksti]

Viited[muuda | muuda lähteteksti]

  1. EE – magnetostriktsioon Eesti Entsüklopeedia (vaadatud: 30. detsember 2014)
  2. Joule, J.P. (1847). "On the Effects of Magnetism upon the Dimensions of Iron and Steel Bars". The London, Edinburgh and Dublin philosophical magazine and journal of science (Taylor & Francis). 30, Third Series: 76–87, 225–241.  (vaadatud: 30. detsember 2014)
  3. Questions & answers on everyday scientific phenomena. Sctritonscience.com. (vaadatud: 7. november 2014)
  4. Magnetilised mälumaterjalid – konspekt. TÜ eksperimentaalfüüsika ja tehnoloogia instituut. (vaadatud: 11. detsember 2014)
  5. Szewczyk, R. (2006). "Modelling of the magnetic and magnetostrictive properties of high permeability Mn-Zn ferrites". PRAMANA-Journal of Physics 67 (6): 1165. doi:10.1007/s12043-006-0031-z. 
  6. Magnetostriktsioon ja magnetostriktiivsed materjalid – Magnetostriktiivsed komposiidid (vaadatud: 30. detsember 2014)
  7. Mehhatroonikaseadmete e-kursus 2011. Tallinna Tööstushariduskeskus. (vaadatud: 11. detsember 2014)

Välislingid[muuda | muuda lähteteksti]