La magnetostricción (cf. electrostricción ) es una propiedad de los materiales magnéticos que hace que cambien su forma o dimensiones durante el proceso de magnetización . La variación de la magnetización de los materiales debido al campo magnético aplicado cambia la deformación magnetoestrictiva hasta alcanzar su valor de saturación, λ . El efecto fue identificado por primera vez en 1842 por James Joule al observar una muestra de hierro . [1]
Este efecto provoca una pérdida de energía debido al calentamiento por fricción en núcleos ferromagnéticos susceptibles. El efecto también es responsable del zumbido de tono bajo que se puede escuchar proveniente de los transformadores, donde las corrientes de CA oscilantes producen un campo magnético cambiante. [2]
Explicación
Internamente, los materiales ferromagnéticos tienen una estructura que se divide en dominios , cada uno de los cuales es una región de magnetización uniforme. Cuando se aplica un campo magnético, los límites entre los dominios se desplazan y los dominios giran; Ambos efectos provocan un cambio en las dimensiones del material. La razón por la que un cambio en los dominios magnéticos de un material da como resultado un cambio en las dimensiones del material es una consecuencia de la anisotropía magnetocristalina : se necesita más energía para magnetizar un material cristalino en una dirección que en otra. Si se aplica un campo magnético al material en un ángulo con respecto a un eje fácil de magnetización, el material tenderá a reorganizar su estructura de modo que un eje fácil se alinee con el campo para minimizar la energía libre del sistema. Dado que las diferentes direcciones de los cristales están asociadas con diferentes longitudes, este efecto induce una tensión en el material. [3]
El efecto recíproco, el cambio de la susceptibilidad magnética (respuesta a un campo aplicado) de un material cuando se somete a una tensión mecánica, se denomina efecto Villari . Otros dos efectos están relacionados con la magnetoestricción: el efecto Matteucci es la creación de una anisotropía helicoidal de la susceptibilidad de un material magnetoestrictivo cuando se somete a un par y el efecto Wiedemann es la torsión de estos materiales cuando se les aplica un campo magnético helicoidal.
La inversión de Villari es el cambio en el signo de la magnetoestricción del hierro de positivo a negativo cuando se expone a campos magnéticos de aproximadamente 40 kA / m.
En la magnetización, un material magnético sufre cambios de volumen que son pequeños: del orden de 10 −6 .
Bucle de histéresis magnetoestrictiva
Al igual que la densidad de flujo , la magnetostricción también presenta histéresis frente a la fuerza del campo de magnetización. La forma de este bucle de histéresis (llamado "bucle de libélula") se puede reproducir utilizando el modelo de Jiles-Atherton . [4]
Materiales magnetoestrictivos
Los materiales magnetoestrictivos pueden convertir la energía magnética en energía cinética , o al revés, y se utilizan para construir actuadores y sensores . La propiedad se puede cuantificar mediante el coeficiente magnetoestrictivo, λ, que puede ser positivo o negativo y se define como el cambio fraccional de longitud a medida que la magnetización del material aumenta desde cero hasta el valor de saturación . El efecto es responsable del familiar " zumbido eléctrico " (Escuche ( ayuda · info ) ) que se puede escuchar cerca detransformadoresy dispositivos eléctricos de alta potencia.
El cobalto exhibe la mayor magnetoestricción a temperatura ambiente de un elemento puro a 60 microesfuerzos . Entre las aleaciones, la magnetoestricción más alta conocida la exhibe Terfenol-D , (Ter para terbio , Fe para hierro , NOL para Laboratorio de Artillería Naval y D para disprosio ). El terfenol-D, Tb x Dy 1 − x Fe 2 , exhibe alrededor de 2000 microesfuerzos en un campo de 160 kA / m (2 kOe) a temperatura ambiente y es el material magnetoestrictivo de ingeniería más comúnmente utilizado. [5] Galfenol , Fe x Ga 1-x , y Alfer , Fe x Al 1-x , son aleaciones más nuevas que exhiben 200-400 microdeformaciones en campos aplicados más bajos (~ 200 Oe) y tienen propiedades mecánicas mejoradas del frágil Terfenol- D. Ambas aleaciones tienen ejes <100> fáciles para la magnetoestricción y demuestran suficiente ductilidad para aplicaciones de sensores y actuadores. [6]
Otro compuesto magnetoestrictivo muy común es la aleación amorfa Fe 81 Si 3.5 B 13.5 C 2 con su nombre comercial Metglas 2605SC. Las propiedades favorables de este material son su alta constante de saturación-magnetoestricción, λ, de aproximadamente 20 microesfuerzos y más, junto con una baja intensidad de campo de anisotropía magnética , H A , de menos de 1 kA / m (para alcanzar la saturación magnética ). Metglas 2605SC también exhibe un efecto ΔE muy fuerte con reducciones en el módulo de Young efectivo hasta aproximadamente un 80% a granel. Esto ayuda a construir MEMS magnéticos energéticamente eficientes . [ cita requerida ]
La ferrita de cobalto , CoFe 2 O 4 (CoO · Fe 2 O 3 ), también se utiliza principalmente para sus aplicaciones magnetoestrictivas como sensores y actuadores, gracias a su magnetoestricción de alta saturación (~ 200 partes por millón). [7] En ausencia de elementos de tierras raras, es un buen sustituto del Terfenol-D . [8] Además, sus propiedades magnetoestrictivas pueden ajustarse induciendo una anisotropía uniaxial magnética. [9] Esto se puede hacer mediante recocido magnético, [10] compactación asistida por campo magnético, [11] o reacción bajo presión uniaxial. [12] Esta última solución tiene la ventaja de ser ultrarrápida (20 min), gracias al uso de sinterización por plasma de chispa .
En los primeros transductores de sonar durante la Segunda Guerra Mundial, el níquel se utilizó como material magnetoestrictivo. Para aliviar la escasez de níquel, la marina japonesa utilizó una aleación de hierro y aluminio de la familia Alperm .
Comportamientos mecánicos de las aleaciones magnetoestrictivas
Efecto de la microestructura sobre la deformación elástica
Las aleaciones monocristalinas exhiben una microdeformación superior, pero son vulnerables a la deformación debido a las propiedades mecánicas anisotrópicas de la mayoría de los metales. Se ha observado que para las aleaciones policristalinas con una alta área de cobertura de granos preferenciales para microdeformación, las propiedades mecánicas ( ductilidad ) de las aleaciones magnetoestrictivas pueden mejorarse significativamente. Los pasos de procesamiento metalúrgico específicos promueven el crecimiento anormal de granos de {011} granos en láminas delgadas de galfenol y alfenol , que contienen dos ejes fáciles para la alineación del dominio magnético durante la magnetostricción. Esto se puede lograr agregando partículas como especies de boruro [13] y carburo de niobio ( Nb C ) [14] durante la colada inicial en frío del lingote .
Para una aleación policristalina, una fórmula establecida para la magnetoestricción, λ, a partir de mediciones de microdeformaciones direccionales conocidas es: [15]
λ s = 1/5 (2λ 100 + 3λ 111 )
Durante la posterior laminación en caliente y de recristalización pasos, el fortalecimiento de las partículas se produce en la que las partículas presentan un “pinning” fuerza en los límites de grano que dificulta normal ( estocástica ) el crecimiento del grano en una etapa de recocido asistido por un H 2 S atmósfera. Por lo tanto, se puede lograr una textura similar a un monocristal (~ 90% {011} de cobertura de grano), lo que reduce la interferencia con la alineación del dominio magnético y aumenta la microdeforma que se puede lograr para las aleaciones policristalinas según se mide mediante extensómetros semiconductores . [16] Estas texturas superficiales se pueden visualizar mediante difracción por retrodispersión de electrones (EBSD) o técnicas de difracción relacionadas.
Estrés compresivo para inducir la alineación de dominios
Para aplicaciones de actuador, la rotación máxima de momentos magnéticos conduce a la mayor salida de magnetoestricción posible. Esto se puede lograr mediante técnicas de procesamiento como el recocido de tensión y el recocido de campo. Sin embargo, también se pueden aplicar pretensiones mecánicas a láminas delgadas para inducir la alineación perpendicular a la actuación siempre que la tensión esté por debajo del límite de pandeo. Por ejemplo, se ha demostrado que la aplicación de una tensión previa de compresión de hasta ~ 50 MPa puede provocar un aumento de la magnetoestricción en ~ 90%. Se supone que esto se debe a un "salto" en la alineación inicial de los dominios perpendiculares a la tensión aplicada y una alineación final mejorada paralela a la tensión aplicada. [17]
Comportamiento constitutivo de materiales magnetoestrictivos
Estos materiales generalmente muestran un comportamiento no lineal con un cambio en el campo magnético aplicado o la tensión. Para campos magnéticos pequeños, el comportamiento constitutivo piezomagnético lineal [18] es suficiente. El comportamiento magnético no lineal se captura utilizando un modelo macroscópico clásico como el modelo de Preisach [19] y el modelo de Jiles-Atherton. [20] Para capturar el comportamiento magneto-mecánico, Armstrong [21] propuso un enfoque de "energía media". Más recientemente, Wahi et al. [22] han propuesto un modelo constitutivo computacionalmente eficiente en el que el comportamiento constitutivo se captura utilizando un esquema de "linealización local".
Ver también
- Vibración y ruido acústico inducidos electromagnéticamente
- Efecto magnetoestrictivo inverso
- Efecto de Wiedemann una fuerza de torsión causada por magnetostricción
- Efectos magnetomecánicos para una colección de efectos similares
- Efecto magnetocalórico
- Electrostricción
- Piezoelectricidad
- Piezomagnetismo
- SoundBug
- FeONIC: desarrollador de productos de audio que utilizan magnetostricción.
- Terfenol-D
- Galfenol
- Vigilancia electrónica de artículos : uso de magnetostricción para evitar robos en tiendas
Referencias
- ↑ Joule, JP (1847). "Sobre los efectos del magnetismo sobre las dimensiones de las barras de hierro y acero" . The London, Edinburgh y Dublin Philosophical Magazine y Journal of Science . 30, tercera serie: 76–87, 225–241 . Consultado el 19 de julio de 2009 . Joule observó en este artículo que informó por primera vez de las mediciones en una "conversación" en Manchester, Inglaterra, en Joule, James (1842). "Sobre una nueva clase de fuerzas magnéticas". Anales de electricidad, magnetismo y química . 8 : 219-224.
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enlaces externos
- Magnetostricción
- "Magnetostricción y ruido del transformador" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 10 de mayo de 2006.
- Altavoces invisibles de Feonic que usan magnetostricción
- Fabricante de aleaciones magnetoestrictivas: REMA-CN