Manyetostriksiyon - Magnetostriction

Manyetostriksiyon (cf. elektrostriksiyon ) bir mülkiyettir manyetik malzemeler işlem sırasında şekillerini veya boyutlarını değiştirmelerine neden olan mıknatıslanma. Uygulanan malzeme nedeniyle manyetizasyonun değişimi manyetik alan manyetostriktif gerilimi doygunluk değerine ulaşana kadar değiştirir, λ. Etki ilk olarak 1842'de James Joule bir örneğini incelerken Demir.[1]

Bu etki, hassas ferromanyetik çekirdeklerde sürtünmeli ısınma nedeniyle enerji kaybına neden olur. Bu etki aynı zamanda, salınımlı AC akımlarının değişen bir manyetik alan ürettiği transformatörlerden gelen düşük perdeli uğultu sesinden de sorumludur.[2]

Açıklama

Dahili olarak, ferromanyetik malzemeler, ikiye bölünmüş bir yapıya sahiptir. etki alanları her biri tek tip manyetik polarizasyon bölgesidir. Bir manyetik alan uygulandığında, alanlar arasındaki sınırlar değişir ve alanlar döner; bu etkilerin her ikisi de malzemenin boyutlarında bir değişikliğe neden olur. Bir malzemenin manyetik alanlarındaki bir değişikliğin, malzeme boyutlarında bir değişikliğe yol açmasının nedeni, manyetokristalin anizotropi, kristalin bir malzemeyi bir yönde mıknatıslamak için diğerine göre daha fazla enerji gerekir. Malzemeye kolay bir manyetizasyon eksenine açılı olarak bir manyetik alan uygulanırsa, malzeme yapısını yeniden düzenleme eğiliminde olacaktır, böylece alanı en aza indirmek için alanla kolay bir eksen hizalanacaktır. bedava enerji sistemin. Farklı kristal yönleri farklı uzunluklarla ilişkili olduğundan, bu etki bir Gerginlik malzemede.[3]

Karşılıklı etki, mekanik bir gerilime maruz kaldığında bir malzemenin manyetik duyarlılığının (uygulanan bir alana tepki) değişmesi olarak adlandırılır. Villari etkisi. Bu nedenle diğer iki etki manyetostriksiyonla ilgilidir: Matteucci etkisi manyetostriktif bir malzemenin bir maddeye maruz kaldığında duyarlılığının sarmal bir anizotropisinin oluşturulmasıdır. tork ve Wiedemann etkisi sarmal bir manyetik alan uygulandığında bu malzemelerin bükülmesidir.

Villari'nin tersine çevrilmesi, manyetostriksiyonun işaretindeki değişikliktir. Demir yaklaşık 40 kA / m'lik manyetik alanlara maruz kaldığında pozitiften negatife.

Mıknatıslanma sırasında, manyetik bir malzeme küçük olan hacimde değişikliklere uğrar: 10 mertebesinde−6.

Manyetostriktif histerezis döngüsü

Yarı iletken gerinim ölçerlerle ölçülen güç uygulamaları için Mn-Zn ferritin manyetostriktif histerezis döngüsü

Sevmek akı yoğunluğu manyetostriksiyon da sergiliyor histerezis mıknatıslanma alanının gücüne karşı. Bu histerezis döngüsünün şekli ("yusufçuk döngüsü" olarak adlandırılır) kullanılarak çoğaltılabilir. Jiles-Atherton modeli.[4]

Manyetostriktif malzemeler

Aşağıdakileri içeren bir dönüştürücünün kesilip çıkarılması: manyetostriktif malzeme (iç), mıknatıslama bobini ve manyetik devreyi (dış) tamamlayan manyetik muhafaza

Manyetostriktif malzemeler manyetik enerjiyi kinetik enerji veya tersi ve oluşturmak için kullanılır aktüatörler ve sensörler. Özellik, pozitif veya negatif olabilen manyetostriktif katsayısı Λ ile ölçülebilir ve malzemenin manyetizasyonu sıfırdan sıfıra yükseldikçe uzunluktaki fraksiyonel değişim olarak tanımlanır. doyma değer. Etki tanıdık olandan sorumludur "elektrik uğultusu " (Bu ses hakkındaDinle (Yardım ·bilgi )) yakınında duyulabilen transformatörler ve yüksek güçlü elektrikli cihazlar.

Kobalt, 60 ° C'de saf bir elementin en büyük oda sıcaklığı manyetostriksiyonunu sergiler. Microstrains. Alaşımlar arasında, bilinen en yüksek manyetostriksiyon, Terfenol-D, (Ter için terbiyum, Fe için Demir, NOL için Donanma Mühimmat Laboratuvarı ve D için disporsiyum ). Terfenol-D, TbxDy1 − xFe2, oda sıcaklığında 160 kA / m (2 kOe) bir alanda yaklaşık 2.000 mikro tür sergiler ve en yaygın kullanılan mühendislik manyetostriktif malzemedir.[5] Galfenol, FexGa1-x, ve Alfenol, FexAl1-x, daha düşük uygulamalı alanlarda (~ 200 Oe) 200-400 mikro gerilme sergileyen ve kırılgan Terfenol-D'den gelişmiş mekanik özelliklere sahip yeni alaşımlardır. Bu alaşımların her ikisi de manyetostriksiyon için <100> kolay eksene sahiptir ve sensör ve aktüatör uygulamaları için yeterli süneklik sergiler.[6]

İnce tabaka manyetostriktif alaşımlar kullanılarak geliştirilmiş bir bıyık akış sensörünün şeması.

Başka bir çok yaygın manyetostriktif kompozit, amorf alaşımdır Fe81Si3.5B13.5C2 ticari adı ile Metglas 2605SC. Bu malzemenin elverişli özellikleri, yaklaşık 20'lik yüksek doygunluk-manyetostriksiyon sabiti λ'dır. Microstrains ve daha fazlası, düşük bir manyetik anizotropi alan gücü, HBir, 1 kA / m'den az (ulaşmak için manyetik doygunluk ). Metglas 2605SC ayrıca çok güçlü bir ΔE etkisi sergilerken, etkili Gencin modülü toplu olarak yaklaşık% 80'e kadar. Bu, enerji açısından verimli manyetik oluşturmaya yardımcı olur MEMS.[kaynak belirtilmeli ]

Kobalt ferrit, CoFe2Ö4 (CoO · Fe2Ö3), ayrıca yüksek doygunluk manyetostriksiyonu (milyonda ~ 200 parça) sayesinde sensörler ve aktüatörler gibi manyetostriktif uygulamaları için de kullanılır.[7] Sahip olmak nadir toprak öğeler için iyi bir ikame Terfenol-D.[8] Dahası, manyetostriktif özellikleri, manyetik tek eksenli anizotropi indükleyerek ayarlanabilir.[9] Bu manyetik tavlama ile yapılabilir,[10] manyetik alan destekli sıkıştırma,[11] veya tek eksenli basınç altında reaksiyon.[12] Bu son çözüm, kullanımı sayesinde ultra hızlı (20 dakika) olma avantajına sahiptir. kıvılcım plazma sinterleme.

Erken sonar dönüştürücüler, II.Dünya Savaşı sırasında, nikel manyetostriktif bir malzeme olarak kullanıldı. Japon donanması nikel kıtlığını hafifletmek için bir Demir -alüminyum alaşımdan Alperm aile.

Manyetostriktif alaşımların mekanik davranışları

Mikroyapının elastik gerilme üzerindeki etkisi

Tek kristal alaşımlar üstün mikro gerilim sergiler, ancak çoğu metalin anizotropik mekanik özelliklerinden dolayı akmaya karşı hassastır. İçin gözlemlenmiştir çok kristalli yüksek alan kapsamına sahip alaşımlar, mikro gerilim için tercihli taneler, mekanik özellikler (süneklik ) manyetostriktif alaşımların) önemli ölçüde iyileştirilebilir. Hedeflenen metalurjik işleme adımları, anormal tane büyümesi içinde {011} tane tahıl galfenol ve alfenol manyetostriksiyon sırasında manyetik alan hizalaması için iki kolay eksen içeren ince tabakalar. Bu, borür türleri gibi parçacıklar eklenerek gerçekleştirilebilir. [13] ve niyobyum karbür (NbC ) [14] ilk soğuk döküm sırasında külçe.

Polikristalin bir alaşım için, bilinen yönlü mikro gerilim ölçümlerinden manyetostriksiyon λ için yerleşik bir formül şöyledir:[15]

λs = 1/5 (2λ100+ 3λ111)

Manyetostriktif alaşım kırılmaya neden oldu.

Sonraki sırasında Sıcak haddeleme ve yeniden kristalleşme adımlarda, parçacık güçlendirme meydana gelir, burada parçacıklar bir "iğneleme" kuvveti tane sınırları normal engelleyen (stokastik ) bir tavlama aşamasında tahıl büyümesi H2S atmosfer. Böylece, tek kristal benzeri doku (~% 90 {011} tane kapsamı) elde edilebilir ve manyetik alan yarı iletken ile ölçülen polikristalin alaşımlar için elde edilebilen hizalama ve artan mikro gerinim gerinim ölçerler.[16] Bu yüzey dokuları kullanılarak görselleştirilebilir elektron geri saçılım kırınımı (EBSD) veya ilgili kırınım teknikleri.

Alan hizalamasını indüklemek için sıkıştırıcı stres

Aktüatör uygulamaları için, manyetik momentlerin maksimum dönüşü, mümkün olan en yüksek manyetostriksiyon çıkışına yol açar. Bu, gerilim tavlama ve alan tavlama gibi işleme teknikleriyle sağlanabilir. Bununla birlikte, gerilim burkulma sınırının altında olduğu sürece çalıştırmaya dikey hizalamayı indüklemek için ince tabakalara mekanik ön gerilimler de uygulanabilir. Örneğin, ~ 50 MPa'ya kadar uygulanan sıkıştırıcı ön gerilimin, manyetostriksiyonda ~% 90 oranında bir artışa neden olabileceği gösterilmiştir. Bunun, uygulanan gerilime dik alanların ilk hizalamasında bir "sıçrama" ve uygulanan gerilime paralel olarak geliştirilmiş son hizalamaya bağlı olduğu varsayılmaktadır.[17]

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ Joule, J.P. (1847). "Manyetizmanın Demir Çelik Çubukların Boyutlarına Etkileri Üzerine". The London, Edinburgh ve Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 30, Üçüncü Seri: 76–87, 225–241. Alındı 2009-07-19. Joule, bu yazıda ölçümleri ilk olarak İngiltere'nin Manchester kentinde bir "sohbet" te rapor ettiğini gözlemledi. Joule James (1842). "Yeni bir manyetik güç sınıfında". Elektrik, Manyetizma ve Kimya Yıllıkları. 8: 219–224.
  2. ^ Günlük bilimsel fenomenlerle ilgili sorular ve cevaplar. Sctritonscience.com. Erişim tarihi: 2012-08-11.
  3. ^ James, R. D .; Wuttig, Manfred (12 Ağustos 2009). "Martensitin manyetostriksiyonu". Philosophical Magazine A. 77 (5): 1273–1299. doi:10.1080/01418619808214252.
  4. ^ Szewczyk, R. (2006). "Yüksek geçirgenliğe sahip Mn-Zn ferritlerinin manyetik ve manyetostriktif özelliklerinin modellenmesi". PRAMANA-Journal of Physics. 67 (6): 1165–1171. Bibcode:2006Prama..67.1165S. doi:10.1007 / s12043-006-0031-z.
  5. ^ "Manyetostriksiyon ve Manyetostriktif Malzemeler". Aktif Madde Laboratuvarı. UCLA. Arşivlenen orijinal 2006-02-02 tarihinde.
  6. ^ Park, Jung Jin; Na, Suok-Min; Raghunath, Ganesh; Flatau, Alison B. (Mart 2016). "Bükme modlu titreşim enerjisi biçerdöverleri için yüksek dokulu Fe-Ga ve Fe-Al manyetostriktif şeritlerde gerilme tavlamasının neden olduğu manyetik anizotropi". AIP Gelişmeleri. 6 (5): 056221. Bibcode:2016AIPA .... 6e6221P. doi:10.1063/1.4944772.
  7. ^ Olabi, A.G .; Grunwald, A. (Ocak 2008). "Manyetostriktif malzemelerin tasarımı ve uygulaması" (PDF). Malzemeler ve Tasarım. 29 (2): 469–483. doi:10.1016 / j.matdes.2006.12.016.
  8. ^ Turtelli, R Sato; Kriegisch, M; Atıf, M; Grössinger, R (17 Haziran 2014). "Ko-ferrit - İlginç manyetik özelliklere sahip bir malzeme". IOP Konferans Serisi: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği. 60: 012020. doi:10.1088 / 1757-899X / 60/1/012020.
  9. ^ Slonczewski, J.C. (15 Haziran 1958). "Kobalt İkameli Manyetitte Manyetik Anizotropinin Kökeni". Fiziksel İnceleme. 110 (6): 1341–1348. Bibcode:1958PhRv..110.1341S. doi:10.1103 / PhysRev.110.1341.
  10. ^ Lo, C.C.H .; Ring, A.P .; Snyder, J.E .; Jiles, D.C. (Ekim 2005). "Manyetik tavlama ile kobalt ferritin manyeto-mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi". Manyetiklerde IEEE İşlemleri. 41 (10): 3676–3678. Bibcode:2005ITM .... 41.3676L. doi:10.1109 / TMAG.2005.854790.
  11. ^ Wang, Jiquan; Gao, Xuexu; Yuan, Chao; Li, Jiheng; Bao, Xiaoqian (Mart 2016). "Yönlendirilmiş polikristalin CoFe 2 O 4'ün manyetostriksiyon özellikleri". Manyetizma ve Manyetik Malzemeler Dergisi. 401: 662–666. Bibcode:2016JMMM..401..662W. doi:10.1016 / j.jmmm.2015.10.073.
  12. ^ Aubert, A .; Loyau, V .; Mazaleyrat, F .; LoBue, M. (Ağustos 2017). "Tek eksenli anizotropi ve SPS ile tek eksenli basınç altında reaksiyonla indüklenen CoFe 2 O 4'ün arttırılmış manyetostriksiyonu". Avrupa Seramik Derneği Dergisi. 37 (9): 3101–3105. arXiv:1803.09656. doi:10.1016 / j.jeurceramsoc.2017.03.036.
  13. ^ Li, J.H .; Gao, X.X .; Xie, J.X .; Yuan, C .; Zhu, J .; Yu, R.B. (Temmuz 2012). "Fe-Ga-B tabakalarının ön sıkıştırma gerilimi altında yeniden kristalleşme davranışı ve manyetostriksiyon". Metaller arası. 26: 66–71. doi:10.1016 / j.intermet.2012.02.019.
  14. ^ Na, S-M .; Flatau, A.B. (Mayıs 2014). "Manyetostriktif Fe-Ga alaşım levhalarda Goss oryantasyonunun doku gelişimi ve olasılık dağılımı". Malzeme Bilimi Dergisi. 49 (22): 7697–7706. Bibcode:2014JMatS..49.7697N. doi:10.1007 / s10853-014-8478-7.
  15. ^ Grössinger, R .; Turtelli, R. Sato; Mahmood, N. (2014). "Yüksek manyetostriksiyonlu malzemeler". IOP Konferans Serisi: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği. 60: 012002. doi:10.1088 / 1757-899X / 60/1/012002.
  16. ^ Na, S-M .; Flatau, A.B. (Mayıs 2014). "Manyetostriktif Fe-Ga alaşım levhalarda Goss oryantasyonunun doku gelişimi ve olasılık dağılımı". Malzeme Bilimi Dergisi. 49 (22): 7697–7706. Bibcode:2014JMatS..49.7697N. doi:10.1007 / s10853-014-8478-7.
  17. ^ Downing, J; Na, S-M; Flatau, A (Ocak 2017). "Yüksek dokulu Galfenol ve Alfenol ince tabakaların manyetostriktif davranışları üzerindeki sıkıştırıcı ön gerilim etkileri". AIP Gelişmeleri. 7 (5): 056420. doi:10.1063/1.4974064. 056420.

Dış bağlantılar