Villari-effekt, magnetoelastisk effekt — det omvända fenomenet med magnetostriktion

Villari effekt uppkallad efter en italiensk fysiker Emilio Villarisom upptäckte detta fenomen 1865. Fenomenet kallas också magnetoelastisk effekt… Dess fysiska väsen ligger i förändringen av magnetisk permeabilitet, såväl som de tillhörande magnetiska egenskaperna hos ferromagneter under mekanisk deformation av prover gjorda av dessa ferromagneter. Arbetet bygger på denna princip magneto-elastiska mätgivare.

Titta till exempel av hysteresloopar permaloid och nickel under driftsförhållanden på mekaniskt belastade prover gjorda av dessa material. Så när ett nickelprov sträcks, när dragspänningen ökar, lutar hysteresöglan. Detta innebär att ju mer nickel sträcks, desto lägre är dess magnetiska permeabilitet. Draghållfastheten för nickel minskar också. Och permaloy är motsatsen.

När permalloyprovet sträcks, närmar sig formen på dess hysteresögla en rektangulär sådan, vilket innebär att den magnetiska permeabiliteten hos permalloyen ökar under sträckning, och den kvarvarande induktansen ökar också. Om spänningen ändras från spänning till kompression, är tecknet på förändringen i magnetiska parametrar också omvänt.

Anledningen till manifestationen av Villari-effekten av ferromagneter under deformation är som följer. När en mekanisk spänning verkar på en ferromagnet ändrar den dess domänstruktur, det vill säga domängränserna förskjuts, deras magnetiseringsvektorer roterar. Detta liknar magnetisering av kärnan med en ström. Om dessa processer har samma riktning så ökar den magnetiska permeabiliteten, om riktningen på processerna är motsatt minskar den.

Villari-effekten är reversibel, därav dess namn omvänd magnetostriktiv effekt… Effekten av direkt magnetostriktion består i deformationen av en ferromagnet under verkan av ett magnetfält som appliceras på den, vilket också leder till en förskjutning av domängränserna, till en rotation av vektorerna för de magnetiska momenten, medan kristallgittret av ämnet ändrar sitt energitillstånd på grund av en förändring i jämviktsavstånden för dess noder, på grund av förskjutning av atomerna från deras ursprungliga platser. Kristallgittret deformeras så att för vissa prover (järn, nickel, kobolt, deras legeringar etc.) når töjningen 0,01.

Så, magnetostriktion — egenskapen hos vissa ferromagnetiska metaller och legeringar att deformeras (dra ihop sig eller expandera) under magnetisering och, omvänt, att ändra magnetisering under mekanisk deformation.

Detta fenomen används för att implementera magnetostriktiva resonatorer, där mekanisk resonans uppstår under inverkan av alternerande magnetfält. Magnetostriktiva resonatorer kan tillverkas för frekvenser upp till 100 kHz och ännu högre, och vid dessa frekvenser hittar de olika applikationer för frekvensstabilisering (liknande piezoelektrisk kvarts) för mottagning av ultraljud etc.

Ur den magnetoelastiska effektens synvinkel kan materialet karakteriseras av en sådan parameter som koefficient för magnetoelastisk susceptibilitet… Det definieras som förhållandet mellan förändringen i relativ magnetisk permeabilitet för ett ämne och dess relativa töjning eller till den applicerade mekaniska spänningen. Och eftersom relativ längdändring och mekanisk spänning är relaterade Hookes lag, då är koefficienterna relaterade till varandra med Youngs modul:

Förändringen i den magnetiska permeabiliteten hos ett material under dess deformation kan omvandlas till en elektrisk signal med hjälp av induktiv mätning (induktiv eller ömsesidig induktiv omvandling).

Det är känt att induktansen för en spole på en sluten magnetisk krets med konstant tvärsnitt hittas av följande formel:

Om nu den magnetiska kretsen deformeras av verkan av någon yttre kraft, kommer de geometriska dimensionerna och den magnetiska permeabiliteten hos den magnetiska kretsen (spolkärnan) att förändras. Således ändrar den mekaniska deformationen spolens induktans. Förändringen i induktans kan beräknas med hjälp av differentiering:

Ferromagnetiska material med en mycket uttalad Villari-effekt tillåter att ta:

För ömsesidig induktiv mätningsomvandling ändras spolarnas ömsesidiga induktans:

Villari-effekten används i moderna magneto-elastiska mätgivaresom låter dig mäta betydande krafter och tryck, mekaniska spänningar och deformationer i olika objekt.