Villari-ilmiö, magnetoelastinen vaikutus - magnetostrictionin käänteinen ilmiö

Villari-efekti nimetty italialaisen fyysikon mukaan Emilio Villarijoka löysi tämän ilmiön vuonna 1865. Ilmiötä kutsutaan myös magnetoelastinen vaikutus… Sen fyysinen olemus on magneettisen permeabiliteetin muutoksessa sekä siihen liittyvissä ferromagneettien magneettisissa ominaisuuksissa näiden ferromagneeteista valmistettujen näytteiden mekaanisen muodonmuutoksen aikana. Työ perustuu tähän periaatteeseen magneto-elastiset mittausmuuntimet.

Esimerkiksi katso hystereesisilmukoista permaloidi ja nikkeli käyttöolosuhteissa näistä materiaaleista valmistetuissa mekaanisesti rasitetuissa näytteissä. Joten kun nikkelinäytettä venytetään, kun vetojännitys kasvaa, hystereesisilmukka kallistuu. Tämä tarkoittaa, että mitä enemmän nikkeliä venytetään, sitä pienempi on sen magneettinen läpäisevyys. Myös nikkelin vetolujuus pienenee. Ja permaloy on päinvastoin.

Kun permalloy-näytettä venytetään, sen hystereesisilmukan muoto lähestyy suorakaiteen muotoista, mikä tarkoittaa, että permalloyn magneettinen permeabiliteetti kasvaa venytyksen aikana ja myös jäännösinduktanssi kasvaa. Jos jännitys muuttuu jännityksestä puristukseen, myös magneettisten parametrien muutoksen merkki on käänteinen.

Syy ferromagneettien Villari-ilmiön ilmenemiseen muodonmuutoksen alaisena on seuraava. Kun mekaaninen jännitys vaikuttaa ferromagneettiin, se muuttaa sen domeenirakennetta, eli alueen rajat siirtyvät, niiden magnetointivektorit pyörivät. Tämä on samanlaista kuin ytimen magnetointi virralla. Jos näillä prosesseilla on sama suunta, niin magneettinen permeabiliteetti kasvaa, jos prosessien suunta on päinvastainen, se pienenee.

Villari-ilmiö on palautuva, mistä johtuu sen nimi käänteinen magnetostriktiivinen vaikutus… Suoran magnetostriktion vaikutus koostuu ferromagneetin muodonmuutoksesta siihen kohdistetun magneettikentän vaikutuksesta, mikä johtaa myös alueen rajojen siirtymiseen, magneettisten momenttien vektorien kiertoon, kun taas kidehila Aine muuttaa energiatilaansa solmujensa tasapainoetäisyyksien muutoksesta johtuen atomien siirtymisestä alkuperäisistä paikoistaan. Kidehila muotoutuu niin, että joidenkin näytteiden (rauta, nikkeli, koboltti, niiden seokset jne.) venymä saavuttaa 0,01.

Niin, magnetostriktio — joidenkin ferromagneettisten metallien ja metalliseosten ominaisuus muotoutua (supistua tai laajeta) magnetoinnin aikana ja päinvastoin muuttaa magnetointia mekaanisen muodonmuutoksen aikana.

Tätä ilmiötä käytetään toteuttamaan magnetostriktiivisia resonaattoreita, joissa mekaanista resonanssia esiintyy vaihtuvien magneettikenttien vaikutuksesta. Magnetostriktiivisia resonaattoreita voidaan valmistaa jopa 100 kHz:n taajuuksille ja sitä korkeammillekin taajuuksille, ja näillä taajuuksilla niille löytyy erilaisia ​​sovelluksia taajuuden stabilointiin (samanlainen kuin pietsosähköinen kvartsi) ultraäänen vastaanottoon jne.

Magnetoelastisen vaikutuksen kannalta materiaalia voidaan luonnehtia sellaisella parametrilla kuin magnetoelastisen susceptibiliteettikerroin… Se määritellään aineen suhteellisen magneettisen permeabiliteetin muutoksen suhteeksi sen suhteelliseen jännitykseen tai käytettyyn mekaaniseen rasitukseen. Ja koska suhteellinen pituusmuutos ja mekaaninen rasitus liittyvät toisiinsa Hooken laki, niin kertoimet liittyvät toisiinsa Youngin moduulilla:

Materiaalin magneettisen permeabiliteetin muutos sen muodonmuutoksen aikana voidaan muuntaa sähköiseksi signaaliksi käyttämällä induktiivista mittausta (induktiivinen tai keskinäinen induktiivinen muunnos).

Tiedetään, että käämin induktanssi suljetussa magneettipiirissä, jonka poikkileikkaus on vakio, saadaan seuraavalla kaavalla:

Jos nyt magneettipiiri muuttaa muotoaan jonkin ulkoisen voiman vaikutuksesta, niin magneettipiirin (kelan sydämen) geometriset mitat ja magneettinen läpäisevyys muuttuvat. Siten mekaaninen muodonmuutos muuttaa kelan induktanssia. Induktanssin muutos voidaan laskea käyttämällä differentiaatiota:

Ferromagneettiset materiaalit, joilla on erittäin voimakas Villari-ilmiö, mahdollistavat:

Keskinäistä induktiivista mittauksen muuntamista varten kelojen keskinäistä induktanssia muutetaan:

Villari-ilmiötä käytetään moderneissa magneto-elastisissa mittausmuuntimissajoiden avulla voit mitata merkittäviä voimia ja paineita, mekaanisia jännityksiä ja muodonmuutoksia eri esineissä.