Villari-Effekt, magnetoelastischer Effekt – das umgekehrte Phänomen der Magnetostriktion

Villari-Effekt benannt nach einem italienischen Physiker Emilio Villarider dieses Phänomen 1865 entdeckte. Das Phänomen wird auch genannt magnetoelastischer Effekt… Sein physikalisches Wesen liegt in der Änderung der magnetischen Permeabilität sowie der damit verbundenen magnetischen Eigenschaften von Ferromagneten bei mechanischer Verformung von Proben aus diesen Ferromagneten. Die Arbeit basiert auf diesem Prinzip magnetoelastische Messumformer.

Schauen Sie zum Beispiel von Hystereseschleifen Permaloid und Nickel unter Betriebsbedingungen an mechanisch beanspruchten Proben aus diesen Materialien. Wenn also eine Nickelprobe gedehnt wird, neigt sich die Hystereseschleife mit zunehmender Zugspannung. Das heißt, je stärker Nickel gedehnt wird, desto geringer ist seine magnetische Permeabilität. Auch die Zugfestigkeit von Nickel nimmt ab. Und Permaloy ist das Gegenteil.

Wenn die Permalloy-Probe gedehnt wird, nähert sich die Form ihrer Hystereseschleife einer rechteckigen Form an, was bedeutet, dass die magnetische Permeabilität des Permalloys während der Dehnung zunimmt und auch die Restinduktivität zunimmt. Ändert sich die Spannung von Zug auf Druck, so kehrt sich auch das Vorzeichen der Änderung der magnetischen Parameter um.

Der Grund für die Manifestation des Villari-Effekts von Ferromagneten unter Verformung ist wie folgt. Wenn eine mechanische Belastung auf einen Ferromagneten einwirkt, verändert dieser seine Domänenstruktur, das heißt, die Domänengrenzen verschieben sich, ihre Magnetisierungsvektoren drehen sich. Dies ähnelt der Magnetisierung des Kerns mit einem Strom. Haben diese Prozesse die gleiche Richtung, dann nimmt die magnetische Permeabilität zu, ist die Richtung der Prozesse entgegengesetzt, nimmt sie ab.

Der Villari-Effekt ist reversibel, daher der Name umgekehrter magnetostriktiver Effekt… Die Wirkung der direkten Magnetostriktion besteht in der Verformung eines Ferromagneten unter Einwirkung eines an ihn angelegten Magnetfeldes, was auch zu einer Verschiebung der Domänengrenzen, zu einer Drehung der Vektoren der magnetischen Momente, während des Kristallgitters führt Der Stoff ändert seinen Energiezustand aufgrund einer Änderung der Gleichgewichtsabstände seiner Knoten, aufgrund der Verschiebung der Atome von ihren ursprünglichen Plätzen. Das Kristallgitter wird so verformt, dass bei einigen Proben (Eisen, Nickel, Kobalt, deren Legierungen usw.) die Dehnung 0,01 erreicht.

So, Magnetostriktion – die Eigenschaft einiger ferromagnetischer Metalle und Legierungen, sich während der Magnetisierung zu verformen (zusammenzuziehen oder auszudehnen) und umgekehrt die Magnetisierung während der mechanischen Verformung zu ändern.

Dieses Phänomen wird zur Realisierung magnetostriktiver Resonatoren genutzt, bei denen unter Einwirkung magnetischer Wechselfelder mechanische Resonanz auftritt. Magnetostriktive Resonatoren können für Frequenzen bis zu 100 kHz und sogar höher hergestellt werden und finden bei diesen Frequenzen verschiedene Anwendungen zur Frequenzstabilisierung (ähnlich wie piezoelektrischer Quarz), zum Empfang von Ultraschall usw.

Aus Sicht des magnetoelastischen Effekts kann das Material durch einen Parameter wie gekennzeichnet werden Koeffizient der magnetoelastischen Suszeptibilität… Es ist definiert als das Verhältnis der Änderung der relativen magnetischen Permeabilität eines Stoffes zu seiner relativen Dehnung oder zur ausgeübten mechanischen Spannung. Und da relative Längenänderung und mechanische Spannung zusammenhängen Hookes Gesetz, dann sind die Koeffizienten durch den Elastizitätsmodul miteinander verknüpft:

Die Änderung der magnetischen Permeabilität eines Materials während seiner Verformung kann durch induktive Messung (induktive oder gegenseitige induktive Umwandlung) in ein elektrisches Signal umgewandelt werden.

Es ist bekannt, dass die Induktivität einer Spule in einem geschlossenen Magnetkreis mit konstantem Querschnitt durch die folgende Formel ermittelt wird:

Wird nun der Magnetkreis durch Einwirkung einer äußeren Kraft verformt, so verändern sich die geometrischen Abmessungen und die magnetische Permeabilität des Magnetkreises (Spulenkerns). Somit verändert die mechanische Verformung die Induktivität der Spule. Die Änderung der Induktivität kann durch Differentiation berechnet werden:

Ferromagnetische Materialien mit einem stark ausgeprägten Villari-Effekt ermöglichen die Aufnahme von:

Bei der gegeninduktiven Messumwandlung wird die Gegeninduktivität der Spulen verändert:

Der Villari-Effekt wird in modernen magnetoelastischen Messwandlern genutztmit denen Sie erhebliche Kräfte und Drücke, mechanische Spannungen und Verformungen in verschiedenen Objekten messen können.