Magnetostrykcja nie jest zjawiskiem nowym, lecz wciąż fascynuje. Przedstawimy jak pod wpływem pola magnetycznego następuje zmiana wymiaru materiału, dlaczego tak się dzieje oraz jakie są potencjalne zastosowania takich własności.
Zjawisko magnetostrykcji, co to jest?
Zaczynając od podstaw, czym jest magnetostrykcja? Jest zjawiskiem tworzenia się odkształceń w ferromagnetykach (materiałach wykazujących spontaniczne namagnesowanie), pod wpływem pola magnetycznego. Pomimo tego iż od czasu jej odkrycia przez Jamesa Joule’a minęło ponad 170 lat, zjawisko nadal nie jest w pełni opisane fizycznie, a sposoby jego kontroli są ciągle udoskonalane. Efektem odwrotnym do magnetostrykcji jest zjawisko Villariego, a mianowicie zmiana magnetyzacji materiału poprzez zmianę wymiarów zewnętrznych. Symetryczne zjawiska znajdują zastosowanie w przetwornikach.
Pierwotnie zjawisko magnetostrykcji nie znajdowało zastosowania w technice, gdyż odkształcenia materiałów takich jak żelazo, nikiel czy kobalt wynosiły jedynie 0,05%. Urządzenia elektryczne o niskiej mocy nie wytwarzały aż tak silnych pól magnetycznych jak w czasach obecnych.
Materiały o nieporównywalnie wysokiej magnetostrykcji nazywane są GMM (Giant Magnetostrictive Materials), osiągając wartość 0,2% mogą przenosić obciążenia rzędu 500-600 MPa. Od konwencjonalnych materiałów odróżnia ich bardzo szybki czas reakcji na sygnał magnetyczny. Zrozumiałym jest iż do uzyskania znacznej magnetostrykcji, należy zastosować materiał o wysokiej reakcji domen magnetycznych na oddziaływanie pola magnetycznego.
Dlatego też przełomowym okazało się opracowanie w roku 1963 przez A.E. Clarka, nowej grupy specjalnych materiałów bazujących na pierwiastkach ziem rzadkich takich jak terb (Tb) i dysproz (Dy). Ogólnym wzorem chemicznym materiałów GMM zwanych terfenolami jest TbxDy1-xFey. A najpopularniejszym i obecnie najczęściej wykorzystywanym stopem metali ziem rzadkich z żelazem jest stop o składzie: Fe = 67,5%, Tb = 9,6%, Dy = 22,9% (terfenol-D).
Schemat budowy przetwornika o rdzeniu wykonanym z materiału magnetostrykcyjnego
Materiały magnetostrykcyjne: zastosowania
Materiały magnetostrykcyjne stanowią konkurencję dla piezoelektryków zarówno w przemyśle jak i w laboratorium. Produkowane są zazwyczaj w formie litej, prętów monokrystalicznych otrzymanych metodą Czochralskiego, a także prasowanych proszków. Głównymi zastosowaniami dla materiałów magnetostrykcyjnych są sensory i aktuatory: w sejsmografach, sonarach, zaworach wtrysku paliwa, pompach hydrauliczne, tomografii geologiczna, urządzeniach do odgazowywania w trakcie wulkanizacji, myjkach ultradźwiękowych, czujnikach ruchu, pola magnetycznego i siły.
Wyjątkowo korzystne oraz stabilne własności pozwalają na ich wykorzystywanie w odpowiedzialnych elementach takich jak, skrzydeł samolotu zmieniających swoją geometrię pod wpływem zmiany prędkości lotu. Jednym z ciekawszych zastosowań jest połączenie materiału magnetostrykcyjnego z tłokiem, w celu pompowania cieczy w małej ilości pod wpływem ruchów oscylacyjnych elementu.
Źródła:
[1] Bar magnet by Aney, commons.wikimedia.org, CC BY 3.0
[2] http://pl.wikipedia.org/wiki/Magnetostrykcja | 23.10.2013
[3] http://www.matint.pl/materialy-magnetostrykcyjne.php | 23.10.2013
[4] Adam Biernat, Wojciech Urbański, Zjawisko magnetostrykcji blach elektrotechnicznych, Stal Metale & Nowe Technologie, maj-czerwiec 5-6 2013, str. 158-159.
[5] Transducteur magnetostrictif annote BY Syntex, domena publiczna, commons.wikimedia.org