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.

Magnitostriktsiia 2

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»).

Magnitostriktsiia 3

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:

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.