Магнитострикция

Магнитострикция — это явление изменения размеров или формы ферромагнитного тела под действием магнитного поля. При намагничивании материала происходит перераспределение магнитных моментов, что приводит к внутренним механическим напряжениям и, как следствие, к изменению линейных размеров кристалла.

Явление магнитострикции тесно связано с кристаллической анизотропией и ориентацией магнитных доменов. Для большинства ферромагнитных материалов величина магнитострикции невелика, но для некоторых сплавов (например, терфенолов и гадолиниевых сплавов) может достигать значительных значений, что делает их применимыми в технологии приводов и сенсоров.

Механизм магнитострикции

В основе магнитострикции лежит взаимодействие магнитного момента атомов с кристаллической решеткой. Основные компоненты механизма:

  1. Реорганизация магнитных доменов. В отсутствие внешнего поля ферромагнитный материал состоит из доменов с разными направлениями намагниченности. Под действием поля домены с намагниченностью вдоль поля расширяются, а перпендикулярные — сжимаются. Это вызывает макроскопическое изменение размеров образца.

  2. Атомные деформации. Даже внутри домена магнитные моменты стремятся выровняться вдоль поля. Из-за обменного взаимодействия это приводит к незначительному смещению атомов в кристалле, вызывая локальные деформации.

  3. Кристаллографическая анизотропия. Величина и направление магнитострикции зависят от кристаллографического направления. Для кубических кристаллов вводят первый и второй коэффициенты магнитострикции λ₁ и λ₂, определяющие линейное удлинение вдоль главных осей.

Классификация магнитострикционных эффектов

  1. Линейная магнитострикция — изменение линейного размера вдоль направления внешнего магнитного поля.
  2. Объемная магнитострикция — суммарное изменение объема кристалла, которое может быть положительным или отрицательным в зависимости от материала.
  3. Анизотропная магнитострикция — разная величина деформации вдоль различных кристаллографических направлений.

Ключевой параметр:

$$ \lambda = \frac{\Delta L}{L} $$

где ΔL — изменение длины образца, L — исходная длина.

Магнитострикционные материалы

  • Чистые железо, кобальт, никель — классические ферромагнетики с умеренной магнитострикцией.
  • Сплавы железа с марганцем (Fe-Mn) — высокая линейная магнитострикция при комнатной температуре.
  • Терфенолы (Tb-Dy-Fe) — гигантская магнитострикция, используемые в актуаторах и сенсорах.

Особенности:

  • Величина λ может быть положительной или отрицательной, что соответствует удлинению или сокращению вдоль направления поля.
  • Температура сильно влияет на магнитострикцию: при приближении к температуре Кюри эффект резко уменьшается.

Теоретические модели

  1. Классическая модель доменной перестройки Рассматривает магнитострикцию как результат сдвига границ доменов под действием внешнего поля. Энергия системы минимизируется за счет перераспределения доменов, что приводит к механической деформации.

  2. Микроскопическая модель с обменным взаимодействием Учитывает взаимодействие спиновых моментов атомов и их связь с кристаллической решеткой. Магнитострикция описывается через константы обменного и анизотропного взаимодействий, а также через упругие модули кристалла.

  3. Модель гигантской магнитострикции в терфенолах Объясняется совместным влиянием магнитного анизотропного взаимодействия редкоземельных и переходных элементов, что приводит к резкому изменению размеров при малых полях.

Экспериментальные методы измерения

  1. Оптический метод — отслеживание удлинения или сокращения образца с помощью интерферометрии.
  2. Механический метод — использование тензодатчиков для измерения деформаций.
  3. Электромагнитный метод — измерение изменения индукции или магнитного потока в катушке, обмотанной вокруг образца, при деформации.

Примечание: точность измерений особенно важна для материалов с малой магнитострикцией (λ ~ 10⁻⁶–10⁻⁵).

Применение магнитострикции

  • Актуаторы и приводы: терфенолы и Fe-Ga сплавы используются для преобразования магнитного поля в механическое движение.
  • Сенсоры давления и силы: магнитострикционные стержни изменяют свои размеры под нагрузкой, что фиксируется магнитными датчиками.
  • Устройства ультразвуковой генерации: магнитострикционные преобразователи создают акустические волны в жидкостях и твердых телах.

Особенности применения:

  • Для максимальной эффективности необходимо учитывать кристаллографическую ориентацию материала.
  • Высокая чувствительность сплавов с гигантской магнитострикцией позволяет работать при малых полях (несколько мТл).
Оглавление