Магнитострикция это кратко и понятно

Магнитострикция: что это такое, как она возникает и где применяется

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.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Магнитострикция. Свойства и применение. Особенности

Известно, что обыкновенная вода при замерзании расширяется в объеме, что на физическом уровне объясняется очень просто. Дело в том, что при минусовых температурах ее молекулы образуют кристаллическую структуру, занимающую больше места, чем в жидкости. Точно так же ведет себя проводящее ток тело, помещенное в сильное э/м поле. Явление изменения линейных размеров предметов при наличии сильного вектора намагниченности получило название «магнитострикция».

Суть явления

Известно два способа изменения модуля намагниченности электропроводящего тела. Во-первых, это делается путем его непосредственного намагничивания в сильном внешнем поле. А во-вторых, изменить данный параметр удается за счет использования эффекта так называемого «фазового перехода». Например, путем расплавления предварительно намагниченного куска железа.

В любом случае независимо от причины, вызвавшей изменение линейных размеров электропроводящего тела, наблюдаемое явление будет называться «магнитострикция».

Краткий исторический экскурс

Явление магнитострикции открыл и подробнейшим образом описал английский физик Дж. Прескотт Джоуль. Это произошло в феврале 1841 года, когда ученый представил в опубликованной им статье результаты наблюдений за поведением металлических предметов в сильном магнитном поле.

Коротко суть открытого им явления можно описать следующим образом:

• При охлаждении ферромагнитных материалов ниже точки Кюри они начинают проявлять свойства постоянных магнитов.
• Одновременно с этим наблюдается деформация кристаллической решетки выбранной заготовки.
• Происходящие изменения вызывают увеличение геометрических размеров исследуемых предметов.

В самом общем случае магнитострикция – это явление деформации кристаллической решетки ферромагнетика, при которой изменяется степень его намагниченности. Дж. Прескотт Джоуль обратил внимание на то, что при намагничивании меняются не только линейные размеры предмета, но и объемные показатели.

Им также было обнаружено, что эти изменения происходят по следующим двум направлениям:

• Вдоль действия намагничивающего поля (это явление он назвал «продольной линейной намагниченностью»).
• Под углом 90 градусов к ней (поперечная магнитострикция).

По результатам множества экспериментов, проведенных с различными образцами ферромагнетиков, ученый составил график относительных изменений линейных размеров.

Из приведенных диаграмм видно, что характерные для этих веществ отклонения располагаются в диапазоне от 0,000001 до 0,01 первоначального размера.

Лучшие показатели исследуемого эффекта наблюдались у некоторых соединений и элементов, относящихся к группе редкоземельных металлов. Сложнее всего дело обстояло с пара- и диамагнетиками, эффект от намагничивания в которых практически незаметен.

От чего зависит магнитострикция в различных материалах

На значение этого показателя основное влияние оказывают два параметра – величина напряженности H и направление намагниченности. В качестве примера, кубические кристаллы, помещенные в сильное магнитное поле.

При проведении этого эксперимента особое внимание обращается на следующие моменты:

• Анизотропная составляющая магнитострикции характеризуется в этом случае двумя константами.
• Одна из них – это относительное растяжение в кристаллографическом направлении вдоль диагонали куба.
• Другая константа – аналогичная составляющая, направленная вдоль его ребер.

Указанные константы принимают как положительные, так и отрицательные значения, величина которых зависит от целого ряда факторов. К определяющим показателям относят текстуру кристалла, а также температуру окружающей среды и наличие или отсутствие примесей в испытываемом образце.

Если исследуемое вещество имеет доменную структуру – его поведение в магнитном поле описывается «классической» линейной зависимостью. Это значит, что при приближении показателя H к минимуму среднее значение магнитострикции также будет близко к нулю.

С повышением H до определенной величины магнитострикция начнет изменяться по восходящей линии, описывая характерную кривую. При определенных значениях внешнего поля она превратится в прямую, почти параллельную оси абцисс (явление достигнет насыщения).

Если и после этого продолжить увеличивать значения H – последующие за этим изменения величины магнитострикции будут незначительными. При обратном действии (уменьшении магнитного поля) кривая не будет повторять диаграмму увеличения H. Это объясняется необратимостью магнитных процессов, называемой в электротехнике «гистерезисом».

Все предыдущие рассуждения касаются линейных изменений размеров тела. При рассмотрении объемной магнитострикции отмечается, что она в основном проявляется в сильных магнитных полях (при значениях Н порядка 1 МА/м). Для заготовок железа, в частности, среднее значение этого показателя равно 0,00001. Также обращается внимание на то, что у одинаковых по структуре предметов с отличающейся конфигурацией величина объемной магнитострикции бывает различной (так называемый «эффект формы»).

Области практического применения

Магнитострикция как физическое явление широко используется в следующих практических целях:

• С целью генерации/приема звуковых и ультразвуковых колебаний (оно используется в специальных акустических приборах, включая гидролокаторы).
• При изготовлении магнитострикционных реле, чувствительных датчиков и фильтров.
• Для установки и эксплуатации в СВЧ резонаторах и стабилизаторах.

Большое распространение получили магнитострикционные датчики, используемые при измерении механических деформаций. Для получения нужного результата сердечник из пермаллоя рабочими частями крепится к поверхности обследуемой заготовки. На нем имеются две обмотки, одна из которых выполняет намагничивающую функцию, а вторая – измерительную.

При изменении линейных размеров детали закрепленный на ней сердечник также деформируется, в результате чего магнитный поток меняет свое значение. Это приводит к появлению разности потенциалов (ЭДС) в измерительной обмотке, с которой показания выводятся на регистрирующий прибор. Для корректной работы всей измерительной системы шкала регистратора предварительно градуируется с помощью эталонных источников механических напряжений или деформаций.

Какие материалы подходят для магнитострикции

В качестве магнитострикционных измерительных заготовок чаще всего применяются следующие материалы:

• Никель или пермаллой.
• Fе-Co (пермендюры).
• Железоалюминиевые сплавы различного класса.
• Ферритовые изделия.

Совсем недавно выяснилось, что соединения тербия и железа выделяются среди других материалов значительной по величине магнитострикцией (этот показатель у них примерно в 100 раз выше).

Магнитные пленки для магнитострикции

Магнитные пленки, толщина которых варьируется в пределах одного микрона, наносятся на немагнитную подложку одним из следующих способов:

• Метод вакуумного испарения.
• Катодное и магнетронное распыление.
• Электролитическое осаждение.

В качестве подложки, как правило, используются кварцевые пластины, стекло или немагнитные металлы с диэлектрической пленкой из окислов кремния/алюминия или без нее.

Чаще всего в качестве намагничиваемых пленок применяются сплавы железа и никеля или марганца и бериллия. Их минимальная толщина ограничивается тем, что при этих значениях ферромагнитные свойства пленки практически исчезают. При больших толщинах они по своим свойствам приближаются к массивным материалам, из-за чего теряется характерная для этих изделий гибкость.

Если пленка наносится на подложку при воздействии совпадающего с ее плоскостью магнитного поля – та приобретает одноосную магнитную ориентацию (анизотропию). В этом случае ферромагнитные свойства системы представляются в виде петли гистерезиса с двумя устойчивыми состояниями. Магнитные пленки при желании поддаются перемагничиванию, реализуемому путем вращения вектора намагниченности. Эти изделия широко применяются в вычислительной технике. На их основе изготавливаются логические и запоминающие элементы ЭВМ.

СВЧ ферриты и магнитострикция

В диапазоне СВЧ колебаний, который захватывает частоты от сотен МГц до десятков ГГц, для передачи э/м энергии используются следующие элементы:

• Волноводы.
• Коаксиальные кабели.
• Полосковые линии передачи.

При размещении в волноводе или коаксиальной линии ферромагнетика в результате его взаимодействия с э/м волной удается изменить структуру поля. Одновременно с этим возрастает и скорость передачи СВЧ колебаний, зависящая от магнитных характеристик феррита.

Поскольку эти показатели управляются внешним магнитным полем – такие системы являются основой для создания различных СВЧ приборов. Эти устройства приведены в следующем перечне:

К ферритам СВЧ, используемым при реализации эффекта магнитострикции, предъявляется ряд специфических требований. Это – высокая чувствительность к воздействию управляющего поля и температурная стабильность. В качестве СВЧ ферритов чаще всего используются заготовки на основе лития, магния или никеля.

Похожие темы:

• Поверхностный эффект. Характеристики и применение
• Пьезоэлектрический эффект. Виды и применение. Особенности
• Наведенное напряжение. Причины возникновения и опасность
• Электроактивные полимеры. Виды и применение. Особенности
• Магнитодиэлектрики. Материалы и применение. Особенности
• Антиферромагнетики. Структура и применение. Особенности
• Магнетизм. Свойства и проявления. Особенности
• Электродинамика и электростатика. Законы и особенности
• Законы Ампера и Лоренца. Работа и применение. Особенности

Геомагнитострикция

В работе «Геомагнетизм и климат» открыто новое явление – наличие у планеты Земля магнитострикции, далее это явление будем называть геомагнитострикция. Что касается просто магнитострикции, то в физике известно, что это явление присуще всем известным веществам, так как все вещества содержат электронные связи, длина которых в магнитном поле меняется в зависимости от напряженности магнитного поля, во всяком случае есть формула частоты магнитного резонанса в магнитном поле, которая от величины магнитного поля имеет прямую зависимость, что однозначно и указывает о происходящих изменениях в атомах. На этом эффекте основана вся аналитическая химия, которая с высокой точностью благодаря магнитному резонансу определяет состав веществ. Подразделяют у твердых кристаллических веществ объемную и линейную магнитострикцию, у жидких веществ выявлена только объемная магнитострикция. От вещества к веществу магнитострикция сильно отличается, есть вещества, у которых удельная магнитострикция составляет величину до 10-2 . Самая маленькая величина магнитострикции находится в пределах 10-5 – 10-7. Размеры Земли огромны, ее диаметр составляет 12742000 м. поэтому даже минимальная магнитострикция дает изменение диаметра Земли более метра, чего за глаза и за уши достаточно для объяснения реальных колебаний уровня океана на том же Северном полюсе, где магнитострикция и должна максимально проявляться. Единственное, что удельная магнитострикция считается на изменение величины магнитного поля в 1 Э, а принято считать, что величина магнитного поля Земли составляет только 0,3 – 0,5 Э, а колебания этой величины гораздо меньше. Конечно, теоретически оценить магнитострикцию Земли не возможно, потому как мы не знаем ни точный состав, ни структуру земных недр, и такую температуру и колоссальное давление недр в лаборатории смоделировать не возможно, магнитострикцию можно определить только опытным путем. В этом плане науке сильно повезло, что был такой выдающейся советский океанолог Максимов И.В., который проделал колоссальную работу и определил колебания уровня океана в зависимости от активности Солнца. Что на современном уровне знаний и должно указывать на величину магнитострикции, потому как Максимов определил именно величину деформации Земли и доказал, что эта деформация результат колебаний активности Солнца. Исходя из того, что при изменении величины магнитного поля магнитострикция единственное явление, приводящее к деформации размеров тела, мы можем считать факт геомагнитострикции доказанным.
Первоисточники
1. Максимов И.В. «Геофизические силы и воды океанов», Л, Гидрометеорологическое издательство, 1970.
2. Ерашов В.М. «Геомагнетизм и климат» http://www.randewy.ru/gml/erashov60.html
15.03.2015г

© Copyright: Владимир Ерашов, 2015
Свидетельство о публикации №215031500794

Портал Проза.ру предоставляет авторам возможность свободной публикации своих литературных произведений в сети Интернет на основании пользовательского договора. Все авторские права на произведения принадлежат авторам и охраняются законом. Перепечатка произведений возможна только с согласия его автора, к которому вы можете обратиться на его авторской странице. Ответственность за тексты произведений авторы несут самостоятельно на основании правил публикации и законодательства Российской Федерации. Данные пользователей обрабатываются на основании Политики обработки персональных данных. Вы также можете посмотреть более подробную информацию о портале и связаться с администрацией.

Ежедневная аудитория портала Проза.ру – порядка 100 тысяч посетителей, которые в общей сумме просматривают более полумиллиона страниц по данным счетчика посещаемости, который расположен справа от этого текста. В каждой графе указано по две цифры: количество просмотров и количество посетителей.

© Все права принадлежат авторам, 2000-2024. Портал работает под эгидой Российского союза писателей. 18+

Магнитострикция в физике

Привет, Вы узнаете о том , что такое магнитострикция в физике, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое магнитострикция в физике, магнитострикция , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Переменный электрический ток. Электромагнитное поле. Физическая сущность процесса магнитострикции в ходе перемагничивания Магнитостри́кция (от лат. strictio — сжатие, натягивание) — явление, заключающееся в том, что при изменении состояния намагниченности тела его объем и линейные размеры изменяются.

Общие сведения

Эффект открыт Джоулем в 1842 году и вызван изменением взаимосвязей между атомами в кристаллической решетке, и поэтому свойствен всем веществам. Изменение формы тела может проявляться, например, в растяжении, сжатии, изменении объема, что зависит как от действующего магнитного поля, так и от кристаллической структуры тела. Наибольшие изменения размеров обычно происходят у сильномагнитных материалов (В ферро- и ферримагнетиках (Fe, Ni, Со, Gd, Tb и других, ряде сплавов, ферритах)). Их относительное удлинение обычно варьируется в пределах . Магнитострикционный эффект обратим, — при изменении линейных размеров тела под действием внешних сил его магнитные свойства, соответственно, изменяются. Это явление называется магнитоупругим эффектом (эффектом Виллари). Рис. 2. Зависимость продольной магнитострикции ряда поликристаллических металлов, сплавов и соединений от напряженности магнитного поля.

Эффект «жужжания»

Низкочастотный трансформатор. При работе многих электроприборов можно услышать исходящий от них шум (гул, «пение» и т. д.). Шум устройств, питающихся от бытовой электросети может быть похож на жужжание или гудение (послушать гудение (инф.)). Одна из возможных причин[1] этого — магнитострикция сердечников в индуктивных конструкциях, таких как трансформаторы или дроссели. При протекании переменного тока через их катушки создается переменное магнитное поле такой же частоты, которое заставляет ферромагнитные сердечники сжиматься и растягиваться (с частотой 100 Гц для 50 Гц тока или кратных частотах), которые, в свою очередь, передают эти колебания в воздух и другим элементам конструкции. Громкий шум может ухудшить комфортность окружающего пространства. Действие вибрации на внутренние элементы конструкции может стать причиной прогрессирующего растрескивания, способного вывести прибор из строя. Этот пример хорошо иллюстрирует явление, но по сути им не является: гудят, отталкиваясь, пластины, из которых набран сердечник, — стоит залить его клеем или (как это делали раньше) вбить деревянную щепку — и гудение прекратится. Сплошные сердечники «гудят» так слабо, что нужен специальный прибор, чтобы зафиксировать шум от них. магнитострикцию. Это явление было открыто около ста лет назад и до сих пор привле­кает к себе внимание многочисленных исследователей. Изменение размеров тела при намагничивании очень мало по величине и носит различный характер для разных фер­ромагнетиков. Так, стержень никеля при намагничивании укорачивается на небольшую долю своей первоначальной длины. Стержень из пермаллоя при намагничивании вы­тягивается, но и здесь удлинение крайне мало (тысячные доли процента). В железе магнитострикция носит более сложный характер. При наложении небольшого поля же­лезный стержень удлиняется, а при более сильных полях начинает укорачиваться. Наибольшей магнитострикцией обладают некоторые железо-кобальтовые и железо-пла­тиновые сплавы, а также кобальтовые ферриты. Измене­ния длины достигают в них сотых долей процента. Про­стым глазом, однако, и такие изменения заметить невозможно. Поэтому для измерения магнитострикции обычно прибегают к различным приспособлениям, одно из кото­рых показано на рис. 24. Простейшее устройство для измерения магнитострикции

Виды магнитострикции

• изотропную (обменную);
• анизотропную (магнитодипольную и одноионную).

При помощи магнитострикционного эффекта можно измерять различные физические величины. Приведем примеры лишь некоторых из них:

1.1 Обменная магнитострикция

Этот вид магнитострикции возникает в результате изменения обменного взаимодействия между магнитными моментами атомов Мат в кристаллической решетке. Объясним, что это такое. Магнетизм атома обусловлен электронами (ядро атома дает очень малый вклад в магнетизм атома, и им обычно пренебрегают). Электроны атома участвуют в создании Мат двояко. Во-первых, каждый электрон, вращаясь вокруг ядра, образует микроскопический замкнутый ток, величина его равна произведению микроскопического тока на площадь орбиты электрона. Этот магнитный момент называется орбитальным Морб и изображается в виде вектора, направленного перпендикулярно площади орбиты. Во-вторых, каждый электрон обладает своеобразным «собственным» магнитным моментом (согласно выводам квантовой механики). Его называют спиновым Мсп (от англ. spin — вращение). Векторное сложение Морб и Мсп дает Мат. Следует отметить, что внутри атома Морб и Мсп связаны магнитными силами (спин-орбитальным взаимодействием) [2].

В кристаллах ферромагнетиков, как было показано в 30-е годы русским теоретиком Я. И. Френкелем и немецким теоретиком В. Гейзенбергом, между электронами соседних магнитных атомов возникает особый вид взаимодействия, который они назвали обменным. Это электростатическое взаимодействие, однако, оно не простое (кулоновское), а квантовое. В механизме обменного взаимодействия электронов важная роль отводится направлению спинов соседних атомов. Обменным его назвали потому, что в процессе данного взаимодействия электроны соседних магнитных атомов как бы обмениваются своими местами. Результатом обменного взаимодействия электронов является то, что моменты Мсп электронов устанавливаются параллельно друг другу, возникает спонтанная или самопроизвольная намагниченность (то есть без участия внешнего поля Н). Поскольку Мсп и Морб взаимосвязаны, то можно говорить, что спонтанная намагниченность Is создается упорядочиванием магнитных моментов Мат (намагниченность Is — это число однонаправленных Мат в 1 см3 ферромагнетика).

Спонтанная намагниченность обращается в нуль при температуре ТC, называемой точкой Кюри (по имени французского физика, открывшего ее). Величину обменного взаимодействия можно оценить по величине ТC. При этой температуре тепловое движение разрушает упорядоченное расположение моментов Мат, созданное обменным взаимодействием. Отсюда следует, что чем больше обменное взаимодействие в ферромагнетике, тем выше должна быть температура ТC для разрушения магнитного порядка.

Возникновение обменной магнитострикции можно наглядно пояснить следующим образом. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Представим себе, что имеется цепочка магнитных атомов при температурах, близких к ТC. В области ТC большинство моментов Мат находятся в разупорядоченном состоянии, так как действие теплового движения на атомы больше, чем обменное взаимодействие. Пусть r0 — равновесное расстояние между атомами, соответствующее этому состоянию ферромагнетика (рисунок 3, а). Включим теперь поле Н. Моменты Мат повернутся по полю (рисунок 3, б), но это приведет к изменению обменной энергии (поскольку, согласно теории, данная энергия зависит от направления спинов взаимодействующих электронов, принадлежащих соседним атомам).

Рисунок 3 — Объяснение обменной магнитострикции

Состоянию ферромагнетика на рисунке 3, б будет соответствовать другое равновесное расстояние между атомами: r0 + Dr, где Dr есть не что иное, как обменная магнитострикция. В ферромагнетиках, обладающих кубической симметрией, величина Dr не зависит от направления в кристалле, следовательно, обменная магнитострикция будет изотропной. Это означает, что в кубическом кристалле величина Dr будет одной и той же во всех направлениях последнего. Эта магнитострикция будет проявляться в изменении объема кристалла DV/V, при этом в большинстве ферромагнетиков она положительна, то есть при включении внешнего поля Н объем образца увеличивается.

Как мы видели, подобного рода магнитострикция сопутствует процессу намагничивания ферромагнетика, при котором под влиянием Н происходит ориентация моментов Мат. Процесс напоминает намагничивание парамагнетиков, поэтому он получил название парапроцесса. Парапроцесс особенно интенсивен в области точки Кюри, и обменная магнитострикция здесь достигает наибольшей величины.

Отметим, что в ферромагнетиках, обладающих гексагональной структурой, например в редкоземельном металле гадолинии Gd, парапроцесс и обменная магнитострикция обладают анизотропией.

1.2 Спонтанная магнитострикция и инвар — эффект

Магнитострикция, обусловленная изменением обменного взаимодействия, проявляется не только при приложении магнитного поля Н, но также при изменении температуры ферромагнетика (при отсутствии Н). Это тепловая магнитострикция (иногда называемая термострикцией) особенно велика в области точки Кюри. В самом деле, из вида температурной зависимости спонтанной намагниченности Is, представленной на
рисунке 4, а, следует, что число разупорядоченных моментов Мат особенно бурно возрастает при приближении к ТC . Это приводит к некоторому изменению обменной энергии, что, в свою очередь, вызывает обменную магнитострикцию (DV/V)T, однако в противоположность действию парапроцесса отрицательную (так как она сопутствует разупорядочиванию моментов Мат).

Рисунок 4 — Объяснение возникновения инвар — эффекта

У некоторых ферромагнетиков эффект спонтанной магнитострикции оказывает существенное влияние на тепловое расширение, так как приводит к частичной компенсации последнего. На рисунке 4, б штриховой линией схематически показан температурный ход коэффициента теплового расширения a = 1/l (Dl/ DT) ферромагнитного сплава 36 % Ni + 64 % Fe при отсутствии компенсирующего действия обменной магнитострикции, сплошная кривая — зависимость a(T), экспериментально наблюдаемая. Видно, что в определенном интервале температур a может приобретать очень низкие значения [3].

Указанный выше сплав носит название инвара (не изменяющего свои размеры при нагреве) и давно применяется в часовой и приборостроительной промышленности. В настоящее время существует большое число сплавов типа инвар; природа их малого коэффициента теплового расширения магнитная. Явление компенсации коэффициента теплового расширения спонтанной магнитострикцией получило название инвар — эффекта. В гадолинии инвар-эффект анизотропен, то есть различен по разным осям гексагонального кристалла.

1.3 Анизатропная магнитострикция (магнитодипольная и одноионная)

Кроме рассмотренной выше обменной магнитострикции в ферромагнетиках при приложении поля Н возникает анизотропная магнитострикция. Она сопутствует процессам намагничивания в полях более слабых, чем те, в которых проявляется парапроцесс. Анизотропия ее состоит в том, что l по различным осям кристалла имеют разные величины и знаки. Характерная черта анизотропной магнитострикции состоит в том, что при ней меняется форма образца (при ничтожно малом изменении объема).

В теории рассматриваются два механизма анизотропной магнитострикции:

В первом из них рассчитывается магнитное взаимодействие магнитных моментов Мат, расположенных в узлах кристаллической решетки, при этом магнитные моменты Мат уподобляются магнитным диполям (то есть маленьким магнитикам с северным и южным полюсами).

Магнитодипольное взаимодействие в кристаллах кубической симметрии вдоль ребра и диагоналей куба будет различным, следовательно, равновесные расстояния между магнитными атомами в этих направлениях будут также различными, то есть магнитострикции будут разными по величине в этих направлениях. Однако данный механизм дает малый вклад в анизотропию магнитострикции ферромагнетиков.

Рисунок 5 — Объяснение одноионного механизма возникновения анизотропной магнитострикции

Как показали исследования, главным для анизотропной магнитострикции является одноионный механизм. Определяющую роль в нем играет наличие у магнитного атома или иона (то есть заряженного атома) орбитального магнитного момента Морб. Согласно теории, в этом случае электронное орбитальное облако приобретает несферическую (анизотропную) конфигурацию (на рисунке 5, а оно условно изображено в виде эллипсоида). Наглядно механизм возникновения анизотропной магнитострикции можно представить следующим образом. Пусть анизотропный магнитный ион находится в кристаллической решетке в окружении других ионов, создающих электростатическое поле (оно обычно называется кристаллическим). На рисунке 5 условно показаны голубыми линиями кристаллические поля, создаваемые окружающими ионами, отражающими локальную симметрию кристалла. При приложении поля Н магнитный момент иона Мат = Мсп + Морб ориентируется в направлении Н и одновременно с ним поворачивается анизотропное электронное облако иона, которое возмущает электростатическое поле окружающих ионов. В результате кристаллическая решетка испытывает анизотропные деформации в соответствии с симметрией кристалла. Эти деформации есть не что иное, как анизотропная магнитострикция.

Подобного вида анизотропная магнитострикция очень велика в редкоземельных металлах (не всех), так как их ионы обладают большими величинами орбитальных моментов Морб.

Ситуация с анизотропной магнитострикцией в металлах Fe, Ni, их сплавах и ферритах близка к случаю Gd. Намагничивание в них происходит в основном за счет спиновых моментов и в небольшой степени за счет орбитальных моментов. В этих магнетиках кристаллическое поле так сильно воздействует на Морб, что они как бы закрепляются в решетке и теряют способность вращаться в направлении магнитного поля. Это явление принято называть замораживанием орбитального момента. Однако в некоторых из этих соединений замораживание Морб происходит не полностью. Поэтому в данных веществах (например, ферритах) возникает анизотропная магнитострикция одноионной природы, но много меньшая по величине, чем в редкоземельных магнетиках.

1.4 Проблемы использования гигантской магнитострикции редкоземельных магнетиков в прикладных целях

Гигантская магнитострикция и родственные ей магнитострикционные эффекты, проявляющиеся в редкоземельных магнетиках, привлекают внимание инженеров с точки зрения конструирования новых приборов и технических устройств. Перечень их довольно обширен: генераторы мощного звука и ультразвука, сверхчувствительные приемники звука, магнитострикционные механизмы микроперемещений и нажимных устройств, линии задержки звуковых и электрических сигналов и другие устройства для радиотехники и электросвязи. К редкоземельным материалам привлечено внимание также технологов с точки зрения создания новых эффективных материалов с инварными свойствами.

Однако практическому осуществлению всех перечисленных применений высокострикционных свойств редкоземельных магнетиков препятствуют следующие факторы:

«вредное» влияние огромной магнитной анизотропии, которая приводит к тому, что гигантская магнитострикция насыщения ls реализуется в очень сильных магнитных полях. Это следует из кривых l(H), приведенных на рисунке 6. Необходимо изготовлять эти материалы с малой магнитной анизотропией для того, чтобы можно было управлять гигантской магнитострикцией с помощью малого поля H. В настоящее время разработано несколько технологий приготовления таких материалов;

наиболее подходящими для технических применений являются интерметаллические соединения редкая земля — переходный металл, так как в них гигантская магнитострикция реализуется в области комнатных температур. Необходимо изыскивать другие редкоземельные магнетики с гигантской магнитострикцией с точками Кюри выше комнатных;

редкоземельные сплавы и интерметаллиды плохо поддаются механической обработке из-за высокой хрупкости. Необходимо создавать технологии для устранения этого явления (например, их аморфизация).

Рисунок 6 — Зависимость магнитострикции в кристалле тербия от напряженности магнитного поля

Из изложенного следует, что устранение недостатков редкоземельных материалов с гигантскими магнитострикционными эффектами, мешающими использованию в технике, представляет собой большую технологическую проблему. Только после ее решения будет возможна широкая реализация уникальных магнитострикционных свойств редкоземельных магнетиков в технике. Тем не менее, в последнее время получены обнадеживающие результаты. Так, синтезированное смешанное интерметаллическое соединение Tb0, 27Dy0, 75Fe2 обладает пониженной магнитной анизотропией (так как TbFe2 и DyFe2 имеют разные знаки констант анизотропии) с сохранением высокой магнитострикции. Этот магнитострикционный материал имеет явное преимущество по сравнению с материалами группы железа (никелем и пермендюром) и пьезокерамикой в акустических преобразователях. Как показали измерения, он дает предельную излучаемую звуковую мощность, на два порядка большую, чем никель и сплав пермендюр, и на порядок большую, чем пьезокерамика.[4]

1.5 Обратный магнитострикционный эффект

Обратный магнитострикционный эффект заключается в намагничивании ферромагнитного тела при его деформировании. Магнитострикция обусловлена деформацией кристаллической решетки намагниченного образца за счет изменения магнитных (диполь-дипольных и спин-орбитальных) и обменных сил. Линейная магнитострикция происходит почти без изменения объема тела. Она анизотропна и зависит от направления намагничивания тела. Количественно линейную магнитострикцию характеризует коэффициент магнитострикции

(1)

где Δl — приращение длины тела при магнитострикции;

l — начальная длина;

Объемная магнитострикция проявляется в области магнитного насыщения материала. Она анизотропна.

Количественно характеризуется коэффициентом объемной магнитострикции

(2)

Объемная магнитострикция значительно меньше линейной магнитострикции у всех магнитных материалов за исключением инваров у которых .

При объемной магнитострикции — изменяются все геометрические размеры ферромагнитного тела. В магнитострикционных преобразователях (МСП) используется только линейная магнитострикция. Магнитострикционный эффект у разных материалов проявляется по-разному. Высокой магнитострикцией обладает никель и пермендюр, которые широко применяются при изготовлении МСП. Величина магнитострикции во многом зависит от технологии изготовления и режимов работы МСП. Магнитострикционный эффект относится к группе четных. Это значит, что знак деформации сердечника не меняется при перемене поля на обратное. Частота деформации в два раза больше частоты переменного тока протекающего в обмотке преобразователя т.к. в положительный и отрицательный полупериоды происходит деформация одного знака.

В ультразвуковой технике применяют поляризованные МСП. Для создания поляризации по обмотке кроме переменного пропускают и постоянный ток (рисунок 7 — 12). Физически это можно представить себе так, что внешнее поле ориентирует элементарные магниты примерно в одинаковом направлении и вещество ведет себя как монокристалл. При наличии поляризации частота деформации равна частоте элементарного напряжения, а амплитуда деформации ξП во много раз больше амплитуды деформации ξНП при той же магнитной индукции. Отношение амплитуд переменной деформации поляризованного ξП и неполяризованного ξНП определяется выражением

(3)

Если , то амплитуда деформации увеличивается в 20 раз. Такая зависимость возможна только на линейном участке кривой магнитострикции от В.

МСП представляет собой сердечник из тонких пластин, на котором размещена обмотка возбуждения. Наибольшее распространение получили стержневые и кольцевые МСП.

Рисунок 7 — Общий вид стержневого МСП

Рисунок 8 — Общий вид кольцевого МСП

МСП, используемые в технологических установках представляют собой резонансные системы продольных колебаний, длина которых кратна четверти длины волны. Расчет МСП производится только для резонансной частоты f0.

В технологических МСП наибольшее распространение получили стержневые замкнутые магнитопроводы. МСП с разомкнутым магнитопроводом почти не применяются из-за большого потока магнитного рассеяния и необходимости создания большой МДС для обеспечения нужной индукции (В). Ниже изображены унифицированные конструкции магнитопроводов:

Рисунок 9 — Разомкнутый магнитопровод МСП

Рисунок 10 — Двухстержневой магнитопровод МСП

Рисунок 11 — Трехстержневой магнитопровод МСП

Рисунок 12 — Четырехстержневой магнитопровод МСП

Пакеты сердечников набирают из штампованных пластин никеля, пермендюра или альфера. Толщина пластин (0,1 ч 0,2) мм. Пластины изолированы друг от друга слоем окисла и изоляционного лака. Соединяют пластины в пакет склеиванием, стягиванием более толстыми пластинами или припаиванием к концентратору. Склеивание пластин в пакеты повышает продольную устойчивость преобразователя, позволяет создавать сравнительно тонкие пакеты с толщиной набора (5 ч 7) мм. Последнее необходимо для конструкций многопакетных МСП с равномерным полем излучения. Особое внимание надо обратить на качество рабочей (излучающей) поверхности пакета. Хорошая шлифовка увеличивает КПД преобразователя примерно на 10 %. Излучающая поверхность магнитопроводов обычно имеет форму квадрата, т. е.

. (4)

Площадь излучающей поверхности определяют исходя из допустимой удельной электрической мощности материала Р’ по формуле 5.

(5)

где РЭ — подводимая электрическая мощность;

Р’ — удельная электрическая мощность материала.

Принято, что удельная электрическая мощность составляет: для альфера Р’ = 55 Вт/см2, для никеля Р’ = 80 Вт/см2, для пермендюра

Р’ = (100 ч 110) Вт/см2.

Размер b не должен превышать половину длины волны, иначе появятся паразитные колебания, снижающие КПД. При выборе размеров пакета необходимо, чтобы поперечный резонанс находился, возможно, дальше от основного продольного резонанса. Обычно поперечный резонанс удается сдвинуть, изменив соотношение a/b. Если это сделать не удается, то необходимо увеличить число стержней. При выборе размеров необходимо стремиться к минимальной высоте ярма dЯ. Уменьшение dЯ увеличивает КПД МСП. Однако значительное снижение dЯ может привести к магнитному насыщению ярма. С этой точки зрения высота ярма должна быть больше значения определенного выражением

(6)

где B0 — индукция создаваемая током подмагничивания;

Вm — амплитуда переменной составляющей индукции;

BS — индукция насыщения материала магнитопровода.

1.6 Гигантская магнитострикция

Сотрудники Физико-технического института им. Е.К.Завойского (Казань) обнаружили, что эффект гигантского магнетосопротивления в структурах с наноконтактами вполне может быть обусловлен магнитострикцией. Величина магнетосопротивления в подобных структурах достигает 3000% при комнатной температуре. На рис. представлено схематическое изображение структуры. Два материала, один из которых магнитомягкий, а другой – магнитожесткий, приведены в контакт. При изменении направления магнитного поля магнитомягкий материал изменяет направление намагниченности, а магнитожесткий — нет. Устройство работает как магнитный вентиль. В идеале, при параллельной намагниченности электроны свободно проходят из одного материла в другой, а при антипараллельной намагниченности это становится невозможным. В реальных контактах, естественно, не получают бесконечной величины магнетосопротивления. В контактах большой площади оно составляет всего несколько десятков процентов. Почему в контактах малой площади в сотни раз больше? Чего только не придумывали, чтобы ответить на этот вопрос.

Авторы работы показали, что магнитострикция может приводить к нарушению наноконтакта, один материал просто отходит от другого. Доклад изумил аудиторию на международной конференции “Micro- and Nanoelectronics’2005”.

Рис. Схематический вид структуры. Стрелками указано направление протекания тока.

1. A.Bukharaev et al. Int. Conf. “Micro- and Nanoelectronics’2005”,
   Zvenigorod, Book of Abstracts, p. O3-04.

Использование эффекта

Применяемые материалы

В настоящее время используют такие магнитострикционные материалы, как алфер, никель, пермендюр.

Измерение уровня

Для измерения уровня жидкости в резервуаре устанавливают вертикальный волновод из магнитострикционного материала. Это делают таким образом, чтобы оголовок волновода размещался на внешней верхней поверхности резервуара, а нижний конец упирался в дно. На волновод насаживают кольцевой поплавок, содержащий постоянные магниты и свободно плавающий на поверхности жидкости. Из оголовка в волновод подается ультразвуковой импульс. Из-за магнитострикционного эффекта — в данном случае обратного эффекту Виллари — поплавок механически деформирует волновод. Отразившись от этой деформации, ультразвуковой импульс возвращается в оголовок, где происходит замер времени его прихода. По этому времени судят о высоте расположения поплавка на волноводе, а значит, и об уровне жидкости в резервуаре[2].

При использовании поплавков с различной удельной массой возможно измерение не только уровня жидкости (уровня границы раздела жидкой и газообразной фазы), но и уровня раздела сред с различной плотностью (например — бензина и подтоварной воды).

На практике данный метод используется для измерения уровня в резервуарах высотой до 18 м и обеспечивает достаточно малую абсолютную погрешность измерений — около 1 мм.

Генерация ультразвука

Магнитострикция используется для генерации ультра- и гиперзвука. Для гиперзвука с частотой порядка 1 ГГц магнитострикция остается практически единственным реальным методом его получения

Метки в антикражевых системах

В некоторых антикражевых системах используются метки, принцип работы которых основан на использовании материалов с большим магнитострикционным эффектом.

Компьютерная память

В первых компьютерах использовалась проволока, которая скручивалась или раскручивалась под действием магнитного поля, реализуя таким образом память на линиях задержки.

Примечания

1. ↑ Бывают и другие причины, например, вибрация незакрепленных обмоток и т. п.
2. ↑В. Ю. Кузьминов, А. Г. Фролов Магнитосрикционный уровнемер // Журнал Сфера Нефтегаз № 1, 2012 г. стр. 26-28

Вау!! �� Ты еще не читал? Это зря!

• Электрострикция
• Эффект Виллари
• Трансформатор в электротехнике

Информация, изложенная в данной статье про магнитострикция в физике , подчеркивают роль современных технологий в обеспечении масштабируемости и доступности. Надеюсь, что теперь ты понял что такое магнитострикция в физике, магнитострикция и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Переменный электрический ток. Электромагнитное поле