Efekt Villariego, efekt magnetosprężysty — zjawisko odwrotne do magnetostrykcji

Efekt Villariego nazwany na cześć włoskiego fizyka Emilio Villariegoktóry odkrył to zjawisko w 1865 roku. Zjawisko to nazywa się też efekt magnetosprężysty… Jej fizyczna istota polega na zmianie przenikalności magnetycznej, a także związanych z nią właściwości magnetycznych ferromagnesów podczas mechanicznego odkształcania próbek wykonanych z tych ferromagnesów. Praca opiera się na tej zasadzie magnetoelastyczne przetworniki pomiarowe.

Na przykład spójrz pętli histerezy permaloidu i niklu w warunkach eksploatacyjnych na obciążonych mechanicznie próbkach wykonanych z tych materiałów. Tak więc, gdy próbka niklu jest rozciągana, wraz ze wzrostem naprężenia rozciągającego pętla histerezy przechyla się. Oznacza to, że im bardziej nikiel jest rozciągnięty, tym mniejsza jest jego przenikalność magnetyczna. Zmniejsza się również wytrzymałość niklu na rozciąganie. A permaloj jest przeciwieństwem.

Gdy próbka permaloju jest rozciągana, kształt jej pętli histerezy zbliża się do prostokąta, co oznacza, że ​​przenikalność magnetyczna permaloju wzrasta podczas rozciągania, a także zwiększa się indukcyjność szczątkowa. Jeżeli naprężenie zmienia się z rozciągania na ściskanie, to znak zmiany parametrów magnetycznych również ulega odwróceniu.

Przyczyna manifestacji efektu Villariego ferromagnesów pod wpływem odkształcenia jest następująca. Gdy na ferromagnes działa naprężenie mechaniczne, zmienia się jego struktura domenowa, to znaczy przesuwają się granice domen, obracają się ich wektory magnetyzacji. Jest to podobne do magnesowania rdzenia prądem. Jeśli procesy te mają ten sam kierunek, wówczas przenikalność magnetyczna wzrasta, jeśli kierunek procesów jest przeciwny, maleje.

Efekt Villari jest odwracalny, stąd jego nazwa odwrotny efekt magnetostrykcyjny… Efekt magnetostrykcji bezpośredniej polega na odkształceniu ferromagnesu pod działaniem przyłożonego do niego pola magnetycznego, co również prowadzi do przesunięcia granic domen, do obrotu wektorów momentów magnetycznych, podczas gdy sieć krystaliczna substancji zmienia swój stan energetyczny na skutek zmiany równowagowych odległości jej węzłów, na skutek przesunięcia atomów z ich pierwotnych miejsc. Sieć krystaliczna jest tak zdeformowana, że ​​dla niektórych próbek (żelazo, nikiel, kobalt, ich stopy itp.) wydłużenie osiąga 0,01.

Więc, magnetostrykcja — właściwość niektórych metali i stopów ferromagnetycznych polegająca na odkształcaniu (kurczeniu się lub rozszerzaniu) podczas namagnesowania i odwrotnie, zmianie namagnesowania podczas odkształcania mechanicznego.

Zjawisko to jest wykorzystywane do realizacji rezonatorów magnetostrykcyjnych, w których rezonans mechaniczny występuje pod działaniem zmiennych pól magnetycznych. Rezonatory magnetostrykcyjne mogą być produkowane dla częstotliwości do 100 kHz, a nawet wyższych i przy tych częstotliwościach znajdują różne zastosowania do stabilizacji częstotliwości (podobnie jak kwarc piezoelektryczny) do odbioru ultradźwięków itp.

Z punktu widzenia efektu magnetosprężystego materiał można scharakteryzować za pomocą takiego parametru jak współczynnik podatności magnetosprężystej… Definiuje się ją jako stosunek zmiany względnej przenikalności magnetycznej substancji do jej względnego naprężenia lub przyłożonego naprężenia mechanicznego, a ponieważ względna zmiana długości i naprężenie mechaniczne są ze sobą powiązane Prawo Hooke'a, to współczynniki są ze sobą powiązane modułem Younga:

Zmianę przenikalności magnetycznej materiału podczas jego odkształcania można przekształcić w sygnał elektryczny za pomocą pomiaru indukcyjnego (przetwarzanie indukcyjne lub wzajemne indukcyjne).

Wiadomo, że indukcyjność cewki w zamkniętym obwodzie magnetycznym o stałym przekroju można znaleźć według następującego wzoru:

Jeśli teraz obwód magnetyczny zostanie zdeformowany przez działanie jakiejś siły zewnętrznej, wówczas wymiary geometryczne i przenikalność magnetyczna obwodu magnetycznego (rdzeń cewki) ulegną zmianie. Zatem odkształcenie mechaniczne zmienia indukcyjność cewki. Zmianę indukcyjności można obliczyć za pomocą różniczkowania:

Materiały ferromagnetyczne o silnie zaznaczonym efekcie Villari pozwalają na:

Dla wzajemnego przeliczenia pomiaru indukcyjnego zmienia się indukcyjność wzajemną cewek:

Efekt Villari jest stosowany w nowoczesnych magnetosprężystych przetwornikach pomiarowychktóre pozwalają mierzyć znaczne siły i naciski, naprężenia mechaniczne i odkształcenia w różnych obiektach.