Magnetostriktsioon

Magnetostriktsioon on ferromagnetiliste materjalide omadus muuta magnetvälja toimel oma mõõtmeid (analoogiliselt pieso-pöördefektiga).
Efekti täheldas esimest korda James Joule 1842. aastal, uurides raua proove. Magnetostriktiivne efekt ilmneb lisaks näiteks niklil, nikli-raua sulamitel ja mõnel ferriidil (näiteks NiFeO4).
Ferromagnetilistes südamikes põhjustab magnetostriktiivne efekt sisemisi hõõrdejõude, mis omakorda tekitab südamikes soojuslikke energiakadusid. Samuti põhjustab efekt trafodes madalasageduslikku suminat. ()
Seletus.
Ferromagnetiliste materjalide seesmine struktuur koosneb magnetilistest domeenidest, millest igaüks kujutab endast ühtlase magnetilise polarisatsiooniga piirkonda. Domeenideks jagunemise tulemusena väheneb materjali magnetostaatiline siseenergia. Välise magnetvälja korral domeenidevahelised piirid nihkuvad ning domeenid pöörduvad – mõlemad nähtused põhjustavadki materjali mõõtmete muutust (magnetdomeemide kohta vt magnetdomeenid).
Magnetostriktiivset efekti kirjeldatakse kvantitatiivselt magnetostriktsiooni konstandiga formula_1, mis väljendab materjali suhtelise pikkuse muutust, kui materjali magneeditakse nullnivoost küllastusväärtuseni. Matemaatiliselt on see võrdeline suhtega formula_2 magnetvälja rakendamisel piki kergmagneetimistelge (ingl "easy axis") ning seda mõõdetakse miljondikosades (1 ppm =10−6). Üldjuhul avaldub vastav lineaarne deformatsioon formula_2 valemiga:
formula_4
kus formula_5 on nurk kergmagneetumistelje ja magnetvälja suuna vahel. Magnetostriktsiooni konstant võib olla nii positiivne (keha pikeneb magnetväljas) kui ka negatiivne (keha lüheneb magnetväljas). Raual ja enamikul rauasulamitel on magnetostriktsioon positiivne, kuid näiteks niklil negatiivne.
Ferromgnetiliste ainete magneetimisel deformeerub aine paralleelselt magnetvälja suunaga (toimub elastne pikkusmuutus, mida tuntakse Joule’i magnetostriktsioonina. Seejuures aine ruumala muutub väga vähesel määral. Erandiks on raua ja nikli sulam invar, mille puhul mõjutab magnetväli aine ruumala; mahuline magnetostriktsioon on siiski palju väiksem kui pikkuse muutus ferromagneetikutel.
Magnetostriktiivne hüstereesisilmus.
Magnetilise hüstereesi tõttu reageerib magnetostriktsioon välise magnetvälja tugevuse muutustele hilinemisega, sest magnetostriktsiooni ulatus ei sõltu mitte ainult magneetiva välja tugevusest, vaid ka materjali varasemast magneetumusest. Seetõttu hilineb ka materjali mõõtmete ennistumine esialgsesse olekusse. Graafiliselt väljendub see sõltuvus hüstereesisilmusena.
Pöördmagnetostriktiivne efekt.
Pöördmagnetostriktiivne efekt (tuntud ka kui magnetoelastne efekt ehk Villari efekt) kirjeldab ferromagnetiliste materjalide magnetilise vastuvõtlikkuse muutust mehaanilise pinge rakendamisel.
Matteucci efekt on magnetoelastse efekti erivorm, mille korral tekib materjalis väändemomendi tõttu magnetilise vastuvõtlikkuse spiraalne anisotroopia. Vastav pöörd-magnetoelastne ehk magnetostriktiivne efekt on Wiedemanni efekt, mispuhul vastavad materjalid väänduvad spiraalse välise magnetvälja rakendamisel.
Villari ümberpöördeks nimetatakse raua magnetostriktsiooni märgi muutust positiivsest negatiivseks juhul, kui materjalile rakendatakse väline magnetväli tugevusega umbes 40 000 A/m.
Rakendused.
Magnetoelastse efekti abil saab mõõta jõude, mehaanilisi pingeid ja jõumomente. Magnetostriktiivse efekti põhjal on välja töötatud ultrahelilainete allikaid. Magnetostriktiivseid materjale kasutatakse nende energiamuundamisvõime tõttu ka andurite ja täiturite valmistamisel.
Magnetoelastsel efekti kasutatakse näiteks mitut tüüpi magnetoelastsetes muundurites, sh magnetoanisotroopsetes indukjtiivmuundurites. Nende talitlus põhineb ferromagnetiliste materjalide magnetilisel anisotroopsusel ehk mitteisotroopsusel, kui neis tekivad välistest jõududest põhjustatud mehaanilised pinged. Anisotroopsus seisneb selles, et magnetiline läbitavus on materjalide eri piirkondades erineva väärtusega.
Joonistel on kujutatud trafo-tüüpi muundurid, mille magnetsüdamik on valmistatud lehtmaterjalist. Südamikes on ruudukujuliselt neli ava. Ergutusmähis W1 ja mõõtemähis W2 on üksteise suhtes täisnurga all, mis väldib nendevahelist induktiivset sidet.
Kui mõõtemuundur on koormamata (F = 0), siis materjalis pole magnetilist anisotroopsust. Ergutusmähise tekitatud magnetvoog kulgeb piki jooni, mis ei lõiku mõõtemähisega W2 ja selles ei teki elektromotoorjõudu. Kui rakendatakse andurile jõudu F, tekivad magnetsüdamikus mehaanilised survepinged. Materjalis tekib magnetiline anisotroopsus. Positiivse magnetostriktsiooni korral magnetiline läbitavus väheneb rakendatud jõuga paralleelses suunas, kusjuures jõuga ristsihis magnetiline läbitavus väheneb. Selle tulemusena magnetvälja jõujooned moonutuvad. Osa nendest jõujoontest ümbritsevad mõõtemähise ja indutseerivad selles elektromotoorjõu. Viimast on võimalik registreerida ning viia vastavusse mähisele rakendatud jõuga.