Villari-effect, magneto-elastisch effect - het omgekeerde fenomeen van magnetostrictie

Villari-effect genoemd naar een Italiaanse natuurkundige Emilio Villaridie dit fenomeen in 1865 ontdekte. Het fenomeen wordt ook wel genoemd magneto-elastische werking… De fysieke essentie ervan ligt in de verandering van magnetische permeabiliteit, evenals de bijbehorende magnetische eigenschappen van ferromagneten tijdens mechanische vervorming van monsters gemaakt van deze ferromagneten. Het werk is gebaseerd op dit principe magneto-elastische meetomvormers.

Kijk bijvoorbeeld van hysteresislussen permaloïde en nikkel onder bedrijfsomstandigheden op mechanisch belaste exemplaren gemaakt van deze materialen. Dus wanneer een nikkelmonster wordt uitgerekt, terwijl de trekspanning toeneemt, kantelt de hysteresislus. Dit betekent dat hoe meer nikkel wordt uitgerekt, hoe lager de magnetische permeabiliteit. Ook de treksterkte van nikkel neemt af. En permaloy is het tegenovergestelde.

Wanneer het permalloy-monster wordt uitgerekt, benadert de vorm van de hysteresislus een rechthoekige vorm, wat betekent dat de magnetische permeabiliteit van de permalloy toeneemt tijdens het strekken en ook de resterende inductantie toeneemt. Als de spanning verandert van spanning naar compressie, wordt het teken van de verandering in magnetische parameters ook omgekeerd.

De reden voor de manifestatie van het Villari-effect van ferromagneten onder vervorming is als volgt. Wanneer een mechanische spanning op een ferromagneet inwerkt, verandert deze zijn domeinstructuur, dat wil zeggen, de domeingrenzen verschuiven, hun magnetisatievectoren roteren. Dit is vergelijkbaar met het magnetiseren van de kern met een stroom. Als deze processen dezelfde richting hebben, neemt de magnetische permeabiliteit toe, als de richting van de processen tegengesteld is, neemt deze af.

Het Villari-effect is omkeerbaar, vandaar de naam omgekeerd magnetostrictief effect… Het effect van directe magnetostrictie bestaat uit de vervorming van een ferromagneet onder invloed van een magnetisch veld dat erop wordt aangelegd, wat ook leidt tot een verplaatsing van de domeingrenzen, tot een rotatie van de vectoren van de magnetische momenten, terwijl het kristalrooster van de stof verandert zijn energietoestand als gevolg van een verandering in de evenwichtsafstanden van zijn knooppunten, als gevolg van verplaatsing van de atomen van hun oorspronkelijke plaatsen. Het kristalrooster is zo vervormd dat voor sommige monsters (ijzer, nikkel, kobalt, hun legeringen, enz.) de rek 0,01 bereikt.

Dus, magnetostrictie - de eigenschap van sommige ferromagnetische metalen en legeringen om te vervormen (samentrekken of uitzetten) tijdens magnetisatie en, omgekeerd, om de magnetisatie te veranderen tijdens mechanische vervorming.

Dit fenomeen wordt gebruikt om magnetostrictieve resonatoren te implementeren, waarbij mechanische resonantie optreedt onder invloed van wisselende magnetische velden. Magnetostrictieve resonatoren kunnen worden vervaardigd voor frequenties tot 100 kHz en zelfs hoger, en bij deze frequenties vinden ze verschillende toepassingen voor frequentiestabilisatie (vergelijkbaar met piëzo-elektrisch kwarts) voor het ontvangen van ultrageluid, enz.

Vanuit het oogpunt van het magneto-elastische effect kan het materiaal worden gekenmerkt door een parameter als coëfficiënt van magneto-elastische gevoeligheid... Het wordt gedefinieerd als de verhouding van de verandering in relatieve magnetische permeabiliteit van een stof tot zijn relatieve spanning of tot de toegepaste mechanische spanning. En aangezien relatieve verandering in lengte en mechanische spanning gerelateerd zijn Hooke's wet, dan zijn de coëfficiënten aan elkaar gerelateerd door Young's modulus:

De verandering in de magnetische permeabiliteit van een materiaal tijdens zijn vervorming kan worden omgezet in een elektrisch signaal met behulp van inductieve metingen (inductieve of wederzijdse inductieve conversie).

Het is bekend dat de inductantie van een spoel op een gesloten magnetisch circuit met constante doorsnede wordt gevonden met de volgende formule:

Als nu het magnetische circuit wordt vervormd door de werking van een externe kracht, dan zullen de geometrische afmetingen en de magnetische permeabiliteit van het magnetische circuit (spoelkern) veranderen. De mechanische vervorming verandert dus de inductantie van de spoel. De verandering in inductantie kan worden berekend met behulp van differentiatie:

Ferromagnetische materialen met een zeer uitgesproken Villari-effect maken het mogelijk om:

Voor onderlinge inductieve meetconversie wordt de onderlinge inductantie van de spoelen gewijzigd:

Het Villari-effect wordt gebruikt in moderne magneto-elastische meetomvormerswaarmee u aanzienlijke krachten en drukken, mechanische spanningen en vervormingen in verschillende objecten kunt meten.