Villariho efekt, magnetoelastický efekt — opačný jav magnetostrikcie

Villariho efekt pomenované po talianskom fyzikovi Emilio Villariktorý tento jav objavil v roku 1865. Úkaz sa nazýva aj magnetoelastický efekt… Jeho fyzikálna podstata spočíva v zmene magnetickej permeability, ako aj s tým spojených magnetických vlastností feromagnetík pri mechanickej deformácii vzoriek vyrobených z týchto feromagnetík. Práca je založená na tomto princípe magnetoelastické meracie prevodníky.

Napríklad pozri hysteréznych slučiek permaloid a nikel v prevádzkových podmienkach na mechanicky namáhaných vzorkách vyrobených z týchto materiálov. Takže keď sa vzorka niklu natiahne, keď sa napätie v ťahu zvýši, hysterézna slučka sa nakloní. To znamená, že čím viac je nikel natiahnutý, tým nižšia je jeho magnetická permeabilita. Pevnosť niklu v ťahu tiež klesá. A permaloy je pravý opak.

Keď je vzorka permalloy natiahnutá, tvar jej hysteréznej slučky sa približuje k obdĺžnikovému, čo znamená, že magnetická permeabilita permalloy sa počas naťahovania zvyšuje a zvyšuje sa aj zvyšková indukčnosť. Ak sa napätie zmení z ťahu na stlačenie, potom sa obráti aj znamienko zmeny magnetických parametrov.

Dôvod prejavu Villariho efektu feromagnetík pri deformácii je nasledujúci. Keď na feromagnet pôsobí mechanické napätie, mení sa jeho doménová štruktúra, to znamená, že sa posúvajú hranice domén, rotujú ich magnetizačné vektory. Je to podobné ako magnetizácia jadra prúdom. Ak majú tieto procesy rovnaký smer, potom sa magnetická permeabilita zvyšuje, ak je smer procesov opačný, klesá.

Villariho efekt je reverzibilný, odtiaľ pochádza jeho názov reverzný magnetostrikčný efekt… Účinok priamej magnetostrikcie spočíva v deformácii feromagnetu pôsobením magnetického poľa, ktoré naň pôsobí, čo vedie aj k posunutiu hraníc domén, k rotácii vektorov magnetických momentov, pričom kryštálová mriežka látky mení svoj energetický stav v dôsledku zmeny rovnovážnych vzdialeností svojich uzlov v dôsledku posunutia atómov z ich pôvodných miest. Kryštálová mriežka je deformovaná tak, že u niektorých vzoriek (železo, nikel, kobalt, ich zliatiny a pod.) dosahuje predĺženie 0,01.

takže, magnetostrikcia — vlastnosť niektorých feromagnetických kovov a zliatin deformovať sa (zmršťovať sa alebo rozťahovať) pri magnetizácii a naopak meniť magnetizáciu pri mechanickej deformácii.

Tento jav sa využíva na realizáciu magnetostrikčných rezonátorov, kde dochádza k mechanickej rezonancii pri pôsobení striedavých magnetických polí. Magnetostrikčné rezonátory je možné vyrábať pre frekvencie do 100 kHz a aj vyššie a pri týchto frekvenciách nachádzajú rôzne aplikácie na stabilizáciu frekvencie (podobne ako piezoelektrický kremeň) pre príjem ultrazvuku atď.

Z hľadiska magnetoelastického efektu možno materiál charakterizovať takým parametrom ako koeficient magnetoelastickej susceptibility… Je definovaná ako pomer zmeny relatívnej magnetickej permeability látky k jej relatívnemu namáhaniu alebo k aplikovanému mechanickému namáhaniu. A keďže relatívna zmena dĺžky a mechanické napätie súvisia Hookov zákon, potom sú koeficienty vo vzájomnom vzťahu podľa Youngovho modulu:

Zmenu magnetickej permeability materiálu pri jeho deformácii je možné previesť na elektrický signál pomocou indukčného merania (indukčný alebo vzájomný indukčný prevod).

Je známe, že indukčnosť cievky na uzavretom magnetickom obvode s konštantným prierezom sa zistí podľa nasledujúceho vzorca:

Ak sa teraz magnetický obvod pôsobením nejakej vonkajšej sily zdeformuje, tak sa zmenia geometrické rozmery a magnetická permeabilita magnetického obvodu (jadra cievky). Mechanická deformácia teda mení indukčnosť cievky. Zmenu indukčnosti možno vypočítať pomocou diferenciácie:

Feromagnetické materiály s vysoko výrazným Villariho efektom umožňujú prijať:

Pre prevod vzájomného indukčného merania sa vzájomná indukčnosť cievok zmení:

Villariho efekt sa používa v moderných magnetoelastických meracích prevodníkochktoré umožňujú merať významné sily a tlaky, mechanické namáhania a deformácie v rôznych objektoch.