Villari-effektus, magnetoelasztikus hatás — a magnetostrikció fordított jelensége
Villari hatás olasz fizikusról nevezték el Emilio Villariaki 1865-ben fedezte fel ezt a jelenséget.A jelenséget más néven magnetoelasztikus hatás… Fizikai lényege a ferromágnesekből készült minták mechanikai deformációja során a mágneses permeabilitás változásában, valamint a ferromágnesek kapcsolódó mágneses tulajdonságaiban rejlik. A munka ezen az elven alapul magneto-elasztikus mérőátalakítók.
Például nézd hiszterézis hurkok permaloid és nikkel üzemi körülmények között az ezekből az anyagokból készült mechanikai igénybevételű mintákon. Tehát amikor egy nikkelmintát megnyújtanak, a húzófeszültség növekedésével a hiszterézis hurok megbillen. Ez azt jelenti, hogy minél jobban megnyúlik a nikkel, annál kisebb a mágneses permeabilitása. A nikkel szakítószilárdsága is csökken. A permaloy pedig ennek az ellenkezője.
A permalloy minta nyújtásakor a hiszterézis hurok alakja megközelíti a téglalap alakút, ami azt jelenti, hogy a nyújtás során nő a permalloy mágneses permeabilitása, és nő a maradék induktivitás is. Ha a feszültség feszültségről összenyomásra változik, akkor a mágneses paraméterek változásának előjele is megfordul.
A ferromágnesek Villari-effektusának megnyilvánulása deformáció alatt a következő. Ha egy mechanikai feszültség hat egy ferromágnesre, az megváltoztatja annak tartományszerkezetét, vagyis a tartományhatárok eltolódnak, mágnesezési vektoraik elfordulnak. Ez hasonló a mag árammal történő mágnesezéséhez. Ha ezek a folyamatok azonos irányúak, akkor a mágneses permeabilitás nő, ha a folyamatok iránya ellentétes, akkor csökken.
A Villari-effektus reverzibilis, innen ered a neve is fordított magnetostrikciós hatás… A közvetlen magnetostrikció hatása abban áll, hogy a ferromágnes a rá ható mágneses tér hatására deformálódik, ami egyben a tartományhatárok elmozdulásához, a mágneses momentumok vektorainak elfordulásához, míg a kristályrács elfordulásához vezet. Az anyag energiaállapotát a csomópontjainak egyensúlyi távolságának változása, az atomok eredeti helyükről való elmozdulása következtében megváltoztatja. A kristályrács úgy deformálódik, hogy egyes mintáknál (vas, nikkel, kobalt, ezek ötvözetei stb.) a nyúlás eléri a 0,01-et.
Így, magnetostrikció – egyes ferromágneses fémek és ötvözetek azon tulajdonsága, hogy a mágnesezés során deformálódnak (összehúzódnak vagy kitágulnak), és fordítva, megváltoztatják a mágnesezettséget a mechanikai deformáció során.
Ezt a jelenséget magnetostrikciós rezonátorok megvalósítására használják, ahol mechanikai rezonancia lép fel váltakozó mágneses mezők hatására. Magnetostrikciós rezonátorok 100 kHz-ig és még ennél is magasabb frekvenciákra gyárthatók, és ezeken a frekvenciákon különféle alkalmazásokat találnak frekvenciastabilizálásra (hasonlóan a piezoelektromos kvarchoz) ultrahang vételére stb.
A magnetoelasztikus hatás szempontjából az anyag olyan paraméterrel jellemezhető, mint pl magnetoelasztikus szuszceptibilitási együttható… Ez egy anyag relatív mágneses permeabilitása változásának aránya a relatív alakváltozáshoz vagy az alkalmazott mechanikai igénybevételhez. És mivel a hossz relatív változása és a mechanikai feszültség összefügg Hooke törvénye, akkor az együtthatók összefüggenek egymással Young-modulussal:
Az anyag deformációja során bekövetkező mágneses permeabilitás változása induktív méréssel (induktív vagy kölcsönös induktív átalakítás) elektromos jellé alakítható.
Ismeretes, hogy a tekercs induktivitását egy állandó keresztmetszetű zárt mágneses körön a következő képlet határozza meg:
Ha most a mágneses áramkör valamilyen külső erő hatására deformálódik, akkor a mágneses kör (tekercsmag) geometriai méretei és mágneses permeabilitása megváltozik. Így a mechanikai alakváltozás megváltoztatja a tekercs induktivitását. Az induktivitás változása differenciálással számítható ki:
Az erősen kifejezett Villari hatású ferromágneses anyagok lehetővé teszik:
A kölcsönös induktív mérési átalakításhoz a tekercsek kölcsönös induktivitása megváltozik:
A Villari-effektust a modern magneto-elasztikus mérőátalakítókban használjákamelyek lehetővé teszik jelentős erők és nyomások, mechanikai feszültségek és alakváltozások mérését különböző tárgyakban.