Magnetostriktsioon: erinevus redaktsioonide vahel
Eemaldatud sisu Lisatud sisu
Ümbersuunamine lehele Magnetrostriktsioon |
Resümee puudub |
||
1. rida:
[[Pilt:Magnetostriction by Zureks.gif|pisi|Magnetostriktsiooni animatsioon]]
'''Magnetostriktsioon''' (vrd. [[elektrostriktsioon]]) on [[ferromagnetism|ferromagneetiliste]] materjalide omadus muuta [[magnetväli|magnetvälja]] toimel oma mõõtmeid (analoogiliselt [[Piesoefekt|pieso-pöördefektiga]]).<ref name=EE> [http://entsyklopeedia.ee/artikkel/magnetostriktsioon2] Eesti Entsüklopeedia</ref>
Efekti täheldas esimest korda [[James Joule]] 1842. aastal uurides [[raud|raua]] proove.<ref>{{cite journal|title=On the Effects of Magnetism upon the Dimensions of Iron and Steel Bars|journal=The London, Edinburgh and Dublin philosophical magazine and journal of science| publisher=Taylor & Francis|date=1847|first=J.P.|last=Joule|coauthors=|volume= 30, Third Series|issue=|pages=76–87, 225–241|id= |url=http://books.google.com/?id=VEgEAAAAYAAJ&lpg=PA76&dq=joule%20annals%20electricity%20219%201842&pg=PA76|format=|accessdate=2009-07-19 }}</ref> Magnetostriktiivne efekt ilmneb lisaks näiteks [[nikkel|niklil]], nikli-raua sulamitel ja mõnel [[ferriit|ferriidil]] (näiteks NiFeO<sub>4</sub>).
Tundlikes [[ferromagnetiline südamik|ferromagnetilistes südamikes]] põhjustab magnetostriktiivne efekt sisemisi [[hõõrdejõud|hõõrdejõude]], mis omakorda tekitab südamikes soojuslikke energiakadusid. Samuti põhjustab efekt [[vahelduvvool]]u [[trafo]]des ja muudes kõrg[[pinge(elekter)|pinge]]listes seadeldistes madalasageduslikku suminat. <ref>[http://www.sctritonscience.com/Young/whytransformershum.htm Questions & answers on everyday scientific phenomena]. Sctritonscience.com. Vaadatud 7.nov 2014</ref> ({{Audio|Mains hum 60 Hz.ogg|Listen}})
==Seletus==
Ferromagneetiliste materjalide seesmine [[struktuur]] koosneb [[Ferromagnetiline doomen|magnetilistest domeenidest]], millest igaüks kujutab endast ühtlase [[magnetiline polarisatsioon|magnetilise polarisatsiooniga]] piirkonda. Välise magnetvälja korral domeenidevahelised piirid nihkuvad ning domeenid pöörduvad — mõlemad nähtused põhjustavad materjali mõõtmete muutust.
Magnetostriktiivset efekti kirjeldatakse [[kvantitatiivne|kvantitatiivselt]] magnetostriktsiooni konstandiga λ<sub>s</sub>, mis on defineeritud materjali suhtelise pikkuse muutuse kaudu materjali magnetiseerituse muutmisel null[[nivoo]]st küllastusväärtuse saavutamiseni. Matemaatiliselt on see võrdeline suhtega Δl/l magnetvälja rakendamisel piki [[kergmagneetimistelg|kergmagneetimistellge]]<nowiki/> (''easy axis'') ning seda mõõdetakse reeglina miljondikes (10<sup>-6</sup>). Vastav lineaarne [[deformatsioon]] Δl/l avaldub üldjuhul valemiga:
<center>Δl/l = (3/2) λ<sub>s</sub> (cos2θ -1/3),</center>
kus θ on nurk kergmagneetumistelje ja magnetvälja suuna vahel. Magnetostriktsiooni konstant λ<sub>s</sub> võib olla nii positiivne (keha pikeneb magnetväljas) kui ka negatiivne (keha lüheneb magnetväljas). Raual ja enamusel rauasulamitel esineb positiivne magnetostriktsioon, kuid nikkel jt on negatiivse magnetostriktsiooniga. Kui λ<sub>s</sub> märki pole rõhutatud, siis eeldatakse λs positiivsust. <ref>[http://www.physic.ut.ee/instituudid/efti/loengumaterjalid/mmm/MMM-konspekt.pdf Magnetilised mälumaterjalid - konspekt]. TÜ eksperimentaalfüüsika ja tehnoloogia instituut. Vaadatud 11.dets 2014</ref>
[[Monokristall|Monokristallides]] sõltub magnetostriktsioon reeglina rakendatud magnetvälja suunast [[Kristallograafia|kristallograafiliste]] telgede suhtes. Materjali [[Magnetiseerumine|magnetiseerimine]] välise magnetvälja toimel muudab seega magnetostriktiivset [[pinge(mehaanika)|pinget]] domeenide vahel kuni teatud [[küllastus|küllastusväärtuse]] saavutamiseni.
Magnetiseerimisel muutub magnetostriktiivsete materjalide [[ruumala]] vägagi vähesel määral, muutudes esialgse ruumalaga võrreldes 10<sup>−6</sup> korda suuremaks või väiksemaks.
==Magnetostriktiivne hüstereesisilmus==
[[File:Magnetostrictive hysteresis loop of Mn-Zn ferrite.png|pisi|Mn-Zn [[ferriit|ferriidi]] magnetostriktiivne hüstereesisilmus|200x200px]]
Magnetrostriktsioon ilmutab [[Magnetiline hüsterees|magnetilise hüstereesi]] tõttu aeglustatud reageerimist välise magnetvälja tugevuse muutustele. Lisaks ei sõltu süsteemi magnetostriktsiooni ulatus mitte ainult magneetiva välja tugevusest, vaid ka varasemast materjali magneetumusest, mistõttu takistab hüsterees kui ferromagnetilise materjali omadus materjali magnetostriktiivse mõõdumuutuste ennistumist esialgsesse olekusse. Graafiliselt väljendub see sõltuvus [[hüstereesisilmus]]ena.<ref>{{cite journal |last=Szewczyk |first=R. |date=2006 |title=Modelling of the magnetic and magnetostrictive properties of high permeability Mn-Zn ferrites |url=http://link.springer.com/article/10.1007/s12043-006-0031-z |journal=PRAMANA-Journal of Physics |publisher= |volume=67 |issue=6 |pages=1165 |doi=10.1007/s12043-006-0031-z |accessdate=}}</ref>
==Magnetrostriktsioon ferromagneetiliste domeenide tekkes ja tasakaalustamises==
[[File:Powstawanie domen by Zureks.png|thumb|Ferromagneetilise materjali jagunemine domeenideks [[Magnetostaatika|magnetostaatilise]] energia vähendamiseks.]]
Magneetiline materjal jaguneb välise magnetvälja puudumisel erinevates suundades orienteeritud magneetilisteks domeenideks, et vähendada materjali magnetostaatilist [[Siseenergia|sisemist energiat]].
Mida rohkem domeene on orienteeritud ühes eelistatud suunas, seda tugevam magnetväli materjali ümber tekib (joonis, a). Seetõttu eelistavad materjalid sisemise energia vähendamiseks tekitada vastassuunalise magnetväljaga väiksema ruumalaga domeene (joonis, b ja c). Kõige enam on ühes eelistatud suunas asetunud domeene näiteks ferromagneetikutes (laialdasemalt tuntud kui [[Püsimagnet|püsimagnetid]]).
Domeenide tekkimise protsess ei toimi tüüpiliselt joonisel ära toodud lihtsustatud skeemi järgi, kuna materjalis leiavad paralleelselt aset mitmed protsessid ning muud [[varjatud parameeter|varjatud parameetrid]].
Domeenide suuruse määrab n-ö "[[vahetusenergia]]" ehk energia, mis kulub kõrvuti olevate domeenide magnetväljade vastastikku suundadesse pööramiseks. Mida väiksemaks domeenid lähevad, seda väiksema efektiivsusega on magnetostaatilise energia vähendamine, kuni jõutakse tasakaalulise olukorrani, kus säästetav energia on võrdne uute domeenide seinte loomise jaoks kuluva energiaga.
Magnetostriktsioon on üks uute domeenide tekkimist takistavate energiate tekkepõhjuseks. Kuna magnetdomeenid on materjalis kindlalt piiritletud, ei saa need magnetvälja muutudes (nt. uute domeenide tekkimisel ja magnetvektorvälja ümberasetumisel) mõõtmeid muuta. Seetõttu tekivad domeenidesse mehaanilised pinged, millest üle saamiseks peab materjal uute domeenide loomiseks rohkem energiat kulutama. Vastavat energiat nimetatakse [[magnetokristalliline anisotroopia|magnetokristalliliseks anisotroopia energiaks]].
==Magnetrostriktiivsed materjalid==
Magnetostriktiivsed materjalid suudavad muuta magnetvälja energiat [[kineetriline energia|kineetiliseks energiaks]] või vastupidi.
Koobalt omab elementaarsetest ainetest toatemperatuuril kõige suuremat magnetostriktiivset efekti, 6x10<sup>-5</sup> suhtelist pikkusemuutust küllastunud olekus.
Sulamitest omab kõige suuremat magnetostriktiivset efekti [[Terfenol-D]] (Ter tähistab [[terbium]]i, Fe rauda, NOL ''Naval Ordnance Laboratory'' - eesti k. [[Mere Lahingumoona Laboratoorium]]it ja D [[düsproosium]]it). Terfenol-D, Te<sub>x</sub>Dy<sub>1-x</sub>Fe<sub>2</sub> eksponeerib 160 kA/m magnetväljas 2x10<sup>−3</sup> suhtelist pikkusemuutust küllastunud olekus toatemperatuuril ning on inseneerias kõige kasutatavam magnetostriktiivne materjal.<ref>[http://aml.seas.ucla.edu/research/areas/magnetostrictive/mag-composites/Magnetostriction%20and%20Magnetostrictive%20Materials.htm Magnetostriktsioon ja magnetostriktiivsed materjalid] – Magnetostriktiivsed komposiidid</ref>
==Pöördmagnetostriktiivsed efektid==
Pöördmagnetostristriktiivne efekt (tuntud kui ka [[magnetoelastne efekt|magnetoelastne]] [[Villari efekt|efekt]]) kirjeldab ferromagnetiliste materjalide [[Magnetiline vastuvõtlikkus|magnetilise vastuvõtlikuse]] muutust mehaanilise pinge rakendamisel.
[[Matteucci efekt]] on magnetoelastse efekti erivorm, mille korral tekib materjalis [[väändemoment|väändemomendi]] tõttu magnetilise vastuvõtlikkuse [[spiraal]]ne [[anisotroopia]]. Vastava efekti pöörd-magnetoelastne ehk magnetrostriktiivne efekt on [[Wiedemanni efekt]], misjuhul vastavad materjalid väänduvad spiraalse välise magnetvälja rakendamisel.
[[Villari ümberpöörd]]umiseks nimetatakse raua magnetrostriktsiooni märgi muutust positiivsest negatiivseks, rakendades materjalile välist magnetvälja tugevusega umbes 40,000 A/m.
==Rakendused==
[[Image:Magnetostrictive transducer.PNG|pisi|Anduri lõige, mis koosneb keskel olevast magnetrostriktiivsest materjalist, selle ümber olevast magnetiseerivast mähisest ning kõige peal olevast magnetiline korpusest.|150x150px]]Magnetoelastse efekti abil saab mõõta [[jõud]]<nowiki/>e, [[Mehaaniline pinge|mehaanilisi pingeid]] ja [[moment]]<nowiki/>e. Magnetostriktiivse efekti põhjal on välja töötatud [[ultraheli|ultrahelilainete]] allikaid ning magnetostriktiivseid materjale kasutatakse nende energiamuutmisvõime tõttu ka [[aktuaator]]ite ning [[sensor]]ite valmistamisel.
Magnetoelastsel efektil põhinevad näiteks erinevad magnetoelastsed muundurid, kaasaarvatud [[induktsioon|induktiivse]]<nowiki/>t tüüpi [[Anisotroopia|magnetoanisotroopsed]] muundurid, mis töötavad ferromagnetiliste materjalide magnetilisel anisotroopsusel ehk mitteisotroopsusel, kui neis tekivad välistest jõududest põhjustatud mehaanilised pinged.
[[Pilt:Magnetoanisotroopne_muundur_1.jpg|border|200x200px]][[Pilt:Magnetoanisotroopne_muundur_2.jpg|border|200x200px]]
Anisotroopsus on materjalide magnetilise läbitavuse erinevus erinevates geomeetrilistes piirkondades. Ülal välja toodud joonistel on kujutatud [[trafo]]<nowiki/>tüüpi muundurit, mille [[magnetsüdamik]] on valmistatud lehtmaterjalist ning millesse on puuritud neli ava, mis asuvad ruudu [[Tippnurgad|tippnurkades]]. [[Ergutusmähis]] W1 ja [[mõõtemähis]] W2 on paigutatud üksteise suhtes täisnurga alla, mis väldib nendevahelist induktiivset sidet.
Kui mõõtemuundur on koormamata (F=0 - vasakpoolne muunduri joonis), siis materjalis pole magnetilist mitteisotroopsust. Ergutusmähise tekitatud [[magnetvoog]] kulgeb piki jooni, mis ei lõiku mõõtemähisega W2 ja selles ei teki [[Elektromotoorjõud|elektromotoorjõudu]] (e.m.j.). Kui rakendatakse jõudu F (parempoolne muunduri joonis), tekivad magnetsüdamikus mehaanilised pinged – sel juhul need on [[survepinge]]<nowiki/>d. Materjalis tekib magnetiline mitteisotroopsus. Positiivse magnetostriktsiooni korral magnetiline läbitavus väheneb rakendatud jõuga paralleelses suunas, kusjuures jõuga ristsihis magnetiline läbitavus väheneb. Selle tulemusena magnetvälja jõujooned moonduvad. Osa nendest jõujoontest ümbritsevad mõõtemähise ja e.m.j. Viimast on võimalik registreerida ning viia vastavusse mähisele rakendatud jõuga.<ref>[http://www.tthk.ee/MEH/Andurid_3.html Mehhatroonikaseadmete e-kursus 2011]. Tallinna Tööstushariduskeskus. Vaadatud 11.dets 2014</ref>
==Vaata lisaks==
* [[Elektrostriktsioon]]
* [[Ferromagnetism]]
* [[Piesoelektrism]]
* [[Piesomagnetism]]
==Viited==
{{viited}}
==Välislingid==
* [http://www.ene.ttu.ee/leonardo/elektro_alused/3Elektromagnetism.pdf 3.8 Magnetiline hüsterees]
[[Kategooria:Magnetism]]
| |||