Materiały magnetostrykcyjne

Magnetostrykcja• Magnetostrykcja jest samoistną właściwością

materiału magnetycznego, dlatego też nie ulega degradacji. Polega na zmianie liniowych wymiarów materiałów w efekcie zmiany jego namagnesowania. Wynika ona z magnetycznego sprzężenia momentu spinowego i orbitalnego elektronów. W materiałach dużej anizotropii magnetokrystalicznej moment orbitalny jest dodatkowo sprzężony z siecią krystaliczną materiału.

Magnetostrykcja

• Pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego moment spinowy podąża za jego kierunkiem, ciągnąc za sobą wektor momentu orbitalnego. Ten z kolei jest sprzężony z siecią krystaliczną, co spotyka duży opór materiału. Przy odpowiednio dużych polach magnetycznych stanowi to przyczynę odkształcenia sieci, czyli magnetostrykcji.

Efekt magnetomechaniczny

• W materiałach wykazujących takie właściwości, zmiana energii mechanicznej odkształcenia sprężystego w magnetyczna przejawia się zmianą namagnesowania w wyniku jednoosiowego naprężenia. Ten magnetomechaniczny efekt, zwany również efektem Villariego, jest zjawiskiem odwrotnym w stosunku do zjawiska magnetostrykcji

Zjawiska

• W materiałach magnetostrykcyjnych występuje wiele innych użytecznych zjawisk, jak np. efekt zmiany modułu Younga, proporcjonalny do zmiany pola magnetycznego, zjawisko Widemanna - spiralnego namagnesowania w pierścieniach magnetycznych, w przypadku superpozycji namagnesowań prostopadłego i równoległego do jego osi, efekt Birkhausena - skokowy wzrost namagnesowania.

Magnetostrykcja

• Zjawisko magnetostrykcji odkrył J.P. Joule w 1842 roku dla żelaza. Magnetostrykcję wykazują nikiel, kobalt oraz ich stopy, jest ona rzędu . Najnowsze stopy osiągają wartości 60 razy większe, rzędu . Przełom w opracowaniu nowych materiałów zostało dokonany w 1963 roku, gdy A.E. Clark zastosował pierwiastki ziem rzadkich Tb i Dy. Dało to początek nowej grupie materiałów- materiałów gigantycznej magnetostrykcji.

Materiały gigantycznej magnetostrykcji • Wykazują one magnetostrykcję rzędu .

Modyfikacja składu chemicznego, przez dodanie innych pierwiastków, pozwoliła przesunąć punkt Curie w obszar temperatur pokojowych. Stopy te jednak na początku cechowała duża anizotropia magnetokrystaliczna, co wymagało stosowania dużych pól magnetycznych. W obecnych materiałach, materiałach których Tb częściowo zastąpił Dy, parametry te polepszyły się.

Materiały gigantycznej magnetostrykcji• Materiały gigantycznej magnetostrykcji

charakteryzują się liniową magnetostrykcję rzędu 0,2% i mogą przenosić obciążenia 500-600 MPa. W odróżnieniu od materiałów tradycyjnych również ich czas odpowiedzi na sygnał magnetyczny jest bardzo krótki, rzędu sekundy. Inne zalety tych materiałów to mała impedancja i możliwość bezkontaktowego dostarczania energii. Są one jednak podatne na korozję.

Produkcja• Materiały magnetostrykcyjne można

otrzymywać wieloma metodami. Jedna z nich to kosztochłonna metoda kierunkowej krystalizacji. Polega ona na topieniu stopu w tyglu ceramicznym, a następnie wlewaniu go, przez otwór w dnie, do nagrzanej formy. Materiały te można również wytwarzać metodą metalurgii proszków. Technika ta pozwala na masową produkcję małych wyrobów o skomplikowanych kształtach. W końcowym etapie stosuje się procesów obróbki mechanicznej.

Zastosowanie• Materiały magnetostrykcyjne wykorzystywane

są jako aktuatory i sensory, m.in. w sonarach, czujnikach sejsmicznych, zaworach hydraulicznych układów wtrysku paliwa, pompach hydraulicznych, lustrach o zmiennej geometrii, urządzeniach do odgazowywania przy wulkanizacji gumy, przemysłowym myciu ultradźwiękowym, sensorach ruchu, siły i pola magnetycznego.

Rys. 1 Sensor

Zastosowanie

• Główną wadą stosowania jest konieczność użycia cewki i obwodu magnetycznego, co powiększa rozmiary urządzenia i obniża konkurencyjność w stosunku do materiałów piezoelektrycznych i elektrostrykcyjnych. Wykorzystywane są one więc głównie tam, gdzie są wymagane duże odkształcenia i siły, a gabaryty odgrywają mniejszą rolę.

Rys. 2 Stoisko aktuatory sensory na targach Automaticon 2010

Zastosowanie

• Przykładem wykorzystywania materiałów magnetostrykcyjnych jako sensora jest czujnik drgań. Wykorzystuje on materiał pod postacią prętów otoczonych cewkami pomiarowymi. Występuje tu zjawisko generowania zmiennego napięcia elektrycznego w cewkach pomiarowych pod wpływem pola magnetycznego, wywołanego przez naprężenia w doznającym drgań materiale.

Rys. 4 Czujnik drgań.

Zastosowanie

• Materiał magnetostrykcyjny rozszerzający się i kurczący cyklicznie, w połączeniu w tłokiem, stosowano do budowy pompy, do pompowania bardzo małych objętości cieczy.

• Mogą one również tłumić drgania, np. w konstrukcjach lotniczych lub je wywoływać, np. dla potrzeb generowania ultradźwięków, w zastosowaniach do narzędzi chirurgicznych lub urządzeń akustycznych.

Sprawdź swoją wiedzę

• file:///C:/Users/Justynka/Desktop/magnetostrykcyjne.htm