Меню Главная Случайная статья Настройки Эффект Виллари Материал из https://ru.wikipedia.org Эффект Виллари или магнитоупругий эффект — явление обратное магнитострикции, заключающееся в изменении намагниченности магнетика под действием упругих напряжений. Назван по имени открывшего его в 1868 году итальянского физика Эмилио Виллари[1]. Содержание 1 Описание 1.1 Качественное объяснение магнитоупругого эффекта 1.2 Количественное выражение магнитоупругого эффекта 1.3 Магнитоупругий эффект в кристаллах 2 Методы измерения магнитоупругих свойств 3 Применение 4 См. также 5 Примечания 6 Литература 7 Ссылки Описание Эффект Виллари является обратным явлению магнитострикции. В веществах с отрицательным коэффициентом магнитострикции, при ${\displaystyle \lambda <0}$, например, в никеле, растягивающие напряжения приводят к уменьшению намагниченности, а в веществах с положительной магнитострикцией, при ${\displaystyle \lambda >0}$, например, в сплаве Fe-65Ni — к росту намагниченности при всех значениях напряженности магнитного поля. В железе напряжения на начальном участке кривой намагничивания приводят к росту намагниченности, а после достижения некоторого значения напряженности магнитного поля - к уменьшению. Напряженность магнитного поля, при которой происходит такое изменение намагниченности, называется точкой Виллари[1]. Способ, которым материал реагирует на напряжения, зависит от величины, называемой магнитострикцией насыщения или магнитострикционной постоянной: ${\displaystyle \lambda _{s}=\left({\frac {\Delta l}{l}}\right)_{s}}$. Качественное объяснение магнитоупругого эффекта Качественно связь эффекта Виллари с величиной и знаком магнитострикции ферромагнетика при одноосном напряжении определяется соотношением[1]: ${\displaystyle \left({\frac {d\lambda }{dH}}\right)_{\sigma }=\left({\frac {dB}{d\sigma }}\right)_{H}}$, где ${\displaystyle \lambda }$ — коэффициент магнитострикции, ${\displaystyle H}$ — напряженность магнитного поля, ${\displaystyle B}$ — намагниченность, — напряжение. Таким образом, если произведение ${\displaystyle \sigma \lambda _{s}}$ имеет положительный знак, намагниченность ${\displaystyle B}$ нарастает при росте напряжений, если же произведение ${\displaystyle \sigma \lambda _{s}}$ отрицательно — намагниченность ${\displaystyle B}$ снижается при росте напряжений. Этот эффект был подтвержден экспериментально[2]. В таблице ниже показано поведение ферромагнетиков с различной магнитострикцией при их упругой деформации. Знак магнитострикции ${\displaystyle \Delta l}$, удлинение ${\displaystyle \Delta J}$, Изменение намагниченности Описание эффекта - ${\displaystyle >0}$ ${\displaystyle <0}$ отрицательный эффект Виллари + ${\displaystyle >0}$ ${\displaystyle >0}$ положительный эффект Виллари Количественное выражение магнитоупругого эффекта При одноосном напряжении ${\displaystyle \sigma }$, действующем на одиночный магнитный домен, плотность энергии магнитоупругого эффекта выражается следующим образом[3]: ${\displaystyle E_{\sigma }={\frac {3}{2}}\lambda _{s}\sigma \sin ^{2}(\theta )}$ где ${\displaystyle \lambda _{s}}$ — магнитострикция насыщения, а ${\displaystyle \theta }$ — угол между направлением намагниченности при насыщении и направлением действия напряжений. Когда ${\displaystyle \lambda _{s}}$ и ${\displaystyle \sigma }$ положительны (как в железе при растяжении), энергия минимальна при ${\displaystyle \theta }$ = 0, то есть когда направление действия напряжений совпадает с направлением намагниченности. Таким образом, намагниченность увеличивается при появлении растягивающих напряжений. Магнитоупругий эффект в кристаллах Магнитострикция и магнитоупругий эффект зависят от направления осей кристалла. В железе направления [100] (ребро куба) являются направлениями лёгкого намагничивания, в то время как в направлении [111] (пространственная диагональ куба) намагниченность невелика, пока не становится близкой к намагниченности насыщения, что приводит к изменению ориентации домена с [111] на [100]. Такая магнитная анизотропия вынуждает использовать два независимых коэффициента магнитострикции ${\displaystyle \lambda _{100}}$ и ${\displaystyle \lambda _{111}}$. В металлах с кубической решеткой магнитострикция (и магнитоупругость) вдоль любой оси может быть определена линейной комбинацией этих двух констант. Например, магнитострикция в направлении [110] является линейной комбинацией ${\displaystyle \lambda _{100}}$ и ${\displaystyle \lambda _{111}}$. Исходя из предположения изотропности магнитострикции (т.е. доменов одинакова в любых кристаллографических направлениях), то ${\displaystyle \lambda _{100}=\lambda _{111}=\lambda }$ и линейная зависимость между упругой энергией и напряжением сохраняется, ${\displaystyle E_{\sigma }={\frac {3}{2}}\lambda \sigma (\alpha _{1}\gamma _{1}+\alpha _{2}\gamma _{2}+\alpha _{3}\gamma _{3})^{2}}$. Здесь ${\displaystyle \alpha _{1}}$, ${\displaystyle \alpha _{2}}$ и ${\displaystyle \alpha _{3}}$ — направляющие косинусы намагниченности домена, а ${\displaystyle \gamma _{1}}$, ${\displaystyle \gamma _{2}}$, ${\displaystyle \gamma _{3}}$ — направляющие косинусы связей — к кристаллографическим направлениям. Методы измерения магнитоупругих свойств Методы измерения магнитоупругого эффекта в магнитных материалах должны соответствовать следующим требованиям[6]: магнитная цепь испытываемого образца должна быть замкнутой. Разомкнутая магнитная цепь вызывает размагничивание, что снижает магнитоупругий эффект и затрудняет его анализ. распределение напряжений должно быть однородным, а величина и направление напряжений должны быть известны. на образце должна быть возможность размещения намагничивающей и измерительной обмоток, необходимых для измерения петли магнитного гистерезиса при механической нагрузке. Применяются следующие методы испытаний: приложение растягивающей нагрузки к образцу магнитного материала в форме ленты, недостатком такой схемы является разомкнутость магнитной цепи образца[7]; приложение растягивающей или сжимающей нагрузки к образцу в форме рамки; недостатком такой схемы является то, что возможно испытывать только объёмные материалы (не ленты и не проволоку), а в части рамки в местах соединений напряжения отсутствуют[8]; приложение сжимающей нагрузки к кольцевому образцу в диаметральном направлении приводит к неоднородному распределению напряжений в сердечнике[9]; приложение растягивающей или сжимающей нагрузки к кольцевому образцу в направлении оси создает напряжения, которые перпендикулярны магнитному полю[10]. Применение Наиболее широко эффект Виллари применяется для измерения с помощью магнитоупругих датчиков (преобразователей) сжимающих и растягивающих напряжений, а также крутящего момента[11][12][13][14]. По сравнению с тензометрическими датчиками, обычно используемыми для измерения сил, магнитоупругие датчики отличается повышенными надежностью и уровнем выходного сигнала, а также использованием более простой измерительной схемы. Они нашли применение в тех областях техники, где предъявляются повышенные требования к надежности в связи с эксплуатацией в тяжелых условиях. Недостатком датчиков с использованием магнитоупругого эффекта является сильная нелинейность характеристики преобразования силы в напряжение, что обуславливает соответствующую большую систематическую ошибку измерения. Этот недостаток устраняется путем использования специальных измерительных схем, корректирующих ошибки измерения, а также выбором диапазона с линейной характеристикой. Некоторые сферы применения таких датчиков: в металлургическом производстве для взвешивания шихты перед загрузкой в плавильную печь; на морских плавучих подъемных кранах в качестве датчика системы ограничения грузоподъемности; в строительстве[7]; контроль зажигания в цилиндрах дизельных двигателей тепловозов[14]; крутящий момент на приводе шаровых кранов[14]; для биомедицинского мониторинга[15]. Обратный магнитоупругий эффект следует также может проявляться как побочный эффект случайного или преднамеренного приложения механических напряжений к магнитному сердечнику индуктивного компонента, например, феррозонду или статору генераторов/двигателей при установке с натягом[16]. Эффект Виллари может применяться для проведения тонких физических экспериментов. В частности, можно найти зависимость изменения температуры магнитного материала от магнитострикции насыщения ${\displaystyle \lambda _{S}}$. См. также Пьезоэлектрический эффект Электрострикция Примечания 1 2 3 ФЭС, 1960, с. 269. Salach, J.; Szewczyk, R.; Bienkowski, A.; Frydrych, P. (2010). Methodology of testing the magnetoelastic characteristics of ring-shaped cores under uniform compressive and tensile stresses (PDF). Journal of Electrical Engineering. 61 (7): 93. Bozorth, R. Ferromagnetism. — Van Nostrand, 1951. Cullity, Bernard Dennis. Introduction to Magnetic Materials. — Addison-Wesley Publishing Company, 1972. — P. 214. 1 2 Описание к авторскому свидетельству на изобретение СССР №603858.Реферат, описание, рисунки Архивная копия от 17 мая 2014 на Wayback Machine 1 2 3 Литература Ссылки B. Kundys, Yu. Bukhantsev, H. Szymczak, M. R. J. Gibbs, R. Zuberek. Temperature dependence of saturation magnetostriction measured for ${\displaystyle Fe_{81}Si_{3.5}B_{13.5}C_{2}}$ amorphous films by a bending method based on the Villari effect R. Szewczyk, A. Bienkowski, R. Kolano. Influence of nanocrystalization on magnetoelastic Villari effect in ${\displaystyle Fe_{73.5}Nb_{3}Cu_{1}Si_{13.5}B_{9}}$ alloy