Magnetostrikció
A magnetostrikció vagy magnetosztrikció a ferromágneses anyagok mágneses igénybevétel hatására létrejövő rugalmas alakváltozása. Magnetostrikciót mutató anyagot mágneses térbe helyezve a felmágneseződés közben megváltozik a mérete, és alakja.
(S=déli, N=északi pólus)
Történet
szerkesztésA jelenséget először James Prescott Joule figyelte meg vas és acél mintán. Joule 1841 vége felé F. D. Arstall ötlete nyomán kezdte el ez irányú kísérleteit. Az elsődleges megfigyelések szerint a mágneses térbe helyezett vasdarabnak megnövekedett a mérete. Lehetségesnek tűnt a mágneses tér gyors irányváltoztatásával létrehozott méretváltozást valamiféle mechanikai mozgatásra hasznosítani. Joule 1842 februárjában Manchesterben a Royal Victoria Gallery-ben egy előadáson mutatta be az első kísérletek eredményeit, amelyek aztán nyomtatásban is megjelentek.[1] A kezdeti kísérleteket később részletesebb vizsgálatok követték. A minden körülményre kiterjedő teljes dokumentáció 1847-ben a Philosophical Magazine-ban jelent meg.[2]
A jelenség
szerkesztés
A ferromágneses anyagokban egy-egy doménen belül azonos a mágnesezettség, a 10-9-10-12 cm³ térfogatú tartományok a telítésig mágnesezettek. A kb. ~1015 számú atomot tartalmazó tartományokhoz rendelhető egyedi mágnesezettségek azonban gyakran ellentétesek, a rendezetlenség miatt akár ki is olthatják egymást. A minta teljes mágnesezettsége lényegében zérus, azaz akár nincs is észrevehető mágnesesség. Külső mágneses térbe helyezve a vasat a domének igyekeznek a tér irányába beállni, kialakul az anyag makroszkópikusan is észlehető mágnesezettsége, ami a külső mágneses tér megszűnés után is megmarad.[3]
A külső mágneses tér növekedésekor a külső tér irányával kis szöget bezáró mágnesezettségű domének térfogata növekszik. Ez a folyamat az úgynevezett faleltolódás, amit a különféle – pl. szennyező atomok által okozott – rácshibák lassítanak. Erős mágneses tér hatására egy-egy domén mágnesezettsége ugrásszerűen is beállhat a tér irányába, ezek a Barkhausen-ugrások. Amikor minden domén a tér irányában áll, az anyag egyetlen doménnak tekinthető, ez a mágneses telítettség állapota.
A mágneses tér nagyságának és irányának periodikus változása a domének irányultságának periodikus változását okozza. A mikroszkópikus doménok más elrendeződése miatt az anyag makroszkópikus mérete megváltozik. Az anyag megnyúlik, illetve összehúzódik, mérete – pl. hosszúsága a külső tér frekvenciájának megfelelően periodikusan változik.[4]
Egy anyag magnetostrikciós tulajdonságát a magnetostrikciós együtthatóval jellemzik. Ez a dimenzió nélküli szám a relatív hosszváltozást adja meg miközben a mágnesezettség a nulláról a telítettségig növekszik. Egy adott anyagnál ez az együttható a különböző kristálytengelyek irányában a mágneses anizotrópia miatt különböző lehet. Hidegen hengerelt lemezeknél hőkezelés után mágneses indukció mellett a relatív megnyúlás értéke a hengerlés irányában 10−6, arra merőlegesen pedig 10−5 körüli.
A magnetostrikciót mutató anyagok képesek a mágneses energiát mozgási energiává alakítani, vagy fordítva. A doménfalak gyors eltolódása miatt azonban időben változó mágneses mező alakul ki, ami elektromos mezőt indukál, azaz a kristályban kiterjedt áramot, ún. örvényáramot indít. Az örvényáram a ferromágneses anyagban hőt termel, ez energiaveszteséget okoz.
Alkalmazások
szerkesztésA jelenség kihasználásával különböző működtetők, beavatkozók és érzékelők készíthetők. Az egyik ilyen gyakorlati alkalmazás az ultrahangkeltés. Erre általában kötegelt Ni-lemezeket használnak, melyek belsejében lévő tekercsekre váltakozó áramot kapcsolnak. Az alkalmazott váltakozó áram frekvenciája a létrehozni kívánt ultrahang frekvenciájától függ. A tekercsek által létrehozott változó mágneses térben a magnetostrikció következtében a lemezek gyors rezgéseket végeznek, rezonancia esetén a mágneses mező változásával megegyező frekvenciájú ultrahangot sugároznak.
A jelenség fordítottja is ismert. Lemágnesezett ferromágneses rúd mechanikai rezgései a faleltolódás miatt mágneses mezőt keltenek, amely a rúd körüli tekercsben áramot kelt. Így lehetséges az ultrahang detektálása, így működik az ultrahangvevő.[4]
Ez a jelenség felelős a transzformátorok illetve nagy teljesítményű villamos berendezések közelében hallható búgásért is. A domének ugrásszerű elfordulása lavinaszerű átfordulásokat indít meg a környező doménekben, ami elektromos feszültséget indukál, így az ugrások sistergő, sercegő zajként – Barkhausen-zajként – hallhatóak.[4]
Források
szerkesztés- ↑ J. P. Joule: On a new class of magnetic forces, Annals of Electricity, Magnetism, and Chemistry, 8, 219-224 (1842)
- ↑ J. P. Joule: On the Effects of Magnetism upon the Dimensions of Iron and Steel Bars, The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science Series 3, 30, 199, 76-87 (1847)
- ↑ Kovács E., Paripás. B.: Fizika II. 2. Az anyagok mágneses tulajdonságai
- ↑ a b c Litz J.: Fizika II., Nemzeti Tankönyvkiadó, 2005, ISBN 9631954463