Магнитострикция¶

Магнитострикция — это явление изменения формы и размеров ферромагнитного или ферримагнитного тела под действием внешнего магнитного поля. Относится к классу магнитомеханических явлений, обратным эффектом по отношению к магнитострикции является магнитоупругий эффект (изменение намагниченности вещества при его деформации). Магнитострикция наблюдается в твёрдых телах и проявляется в виде линейного удлинения или сжатия образца вдоль направления приложенного поля (линейная магнитострикция), а также в виде изменения объёма (объёмная магнитострикция). Величина магнитострикции обычно невелика (порядка 10⁻⁶–10⁻⁵), однако в некоторых материалах, называемых магнитострикционными, может достигать значений 10⁻³–10⁻².

¶История открытия

Первые наблюдения изменения размеров ферромагнитных материалов под действием магнитного поля были сделаны в 1842 году английским физиком Джеймсом Джоулем. Он обнаружил, что образец из железа при намагничивании незначительно удлиняется. Впоследствии это явление получило название магнитострикции Джоуля. В 1865 году немецкий физик Эмиль Варбург открыл обратный эффект — изменение намагниченности при механической деформации ферромагнетика. В 1882 году французский физик Пьер Кюри исследовал магнитострикцию в никеле и установил, что в некоторых материалах (например, в никеле) наблюдается сжатие, а не удлинение. В XX веке, с развитием физики твёрдого тела, были созданы теоретические модели магнитострикции, основанные на представлениях о доменной структуре ферромагнетиков и спин-орбитальном взаимодействии. В 1960-х годах были открыты материалы с гигантской магнитострикцией (тербий, диспрозий и их сплавы), что привело к практическому применению явления в технике.

¶Физическая природа

Магнитострикция обусловлена изменением межатомных расстояний в кристаллической решётке ферромагнетика при переориентации магнитных моментов атомов. В отсутствие внешнего магнитного поля домены (области самопроизвольной намагниченности) в ферромагнетике ориентированы хаотически, и образец имеет определённые размеры. При наложении внешнего поля домены поворачиваются в направлении поля, что сопровождается изменением расстояний между атомами вдоль и поперёк направления намагничивания. Это изменение связано с анизотропией кристалла: в разных кристаллографических направлениях межатомные расстояния при намагничивании изменяются по-разному.

Основной вклад в магнитострикцию вносит спин-орбитальное взаимодействие — связь между спиновыми магнитными моментами электронов и орбитальным движением электронов в кристаллической решётке. При повороте спинов под действием поля изменяется форма электронных облаков, что приводит к деформации решётки. Различают два основных типа магнитострикции:

• Линейная магнитострикция — изменение линейных размеров образца вдоль направления поля. Характеризуется относительным удлинением λ = Δl / l, где Δl — изменение длины, l — исходная длина. Для большинства ферромагнетиков λ составляет 10⁻⁶–10⁻⁵.
• Объёмная магнитострикция — изменение объёма образца при намагничивании. Обычно на несколько порядков меньше линейной и проявляется в основном в сильных полях, близких к насыщению.

¶Классификация материалов по магнитострикции

По величине и знаку магнитострикции материалы делятся на:

• Материалы с положительной магнитострикцией — удлиняются вдоль поля (железо, кобальт, ферриты). У железа λ ≈ 2·10⁻⁵.
• Материалы с отрицательной магнитострикцией — сжимаются вдоль поля (никель, пермаллой). У никеля λ ≈ –3·10⁻⁵.
• Материалы с гигантской магнитострикцией — сплавы редкоземельных металлов (тербий, диспрозий) с железом, например, Terfenol-D (Tb₀,₃Dy₀,₇Fe₂). У таких материалов λ достигает 10⁻³–10⁻² при комнатной температуре, что в сотни раз больше, чем у чистых металлов.
• Материалы с нулевой магнитострикцией — специальные сплавы (например, пермаллой 79НМ), у которых магнитострикция скомпенсирована за счёт легирования. Используются в трансформаторах и магнитных головках для уменьшения шумов.

¶Применение

Магнитострикция нашла широкое применение в технике, особенно в устройствах, где требуется преобразование магнитного поля в механическое движение или наоборот. Основные области применения:

¶Ультразвуковые излучатели и приёмники

Магнитострикционные преобразователи используются для генерации и приёма ультразвуковых колебаний. Стержень из магнитострикционного материала (например, никеля или феррита) помещают в катушку с переменным током. Под действием переменного магнитного поля стержень совершает механические колебания с частотой тока. Такие излучатели применяются в ультразвуковой очистке, сварке пластмасс, медицинской диагностике (УЗИ), гидролокации. КПД магнитострикционных преобразователей достигает 50–70%.

¶Актуаторы и прецизионные позиционеры

Материалы с гигантской магнитострикцией (Terfenol-D) используются в микро- и нанопозиционерах, где требуется точное перемещение на доли микрометра. При подаче тока на катушку стержень из Terfenol-D удлиняется на 0,1–0,2% от своей длины, что позволяет создавать линейные перемещения с высокой точностью (до 10 нм). Такие устройства применяются в адаптивной оптике, лазерной технике, станкостроении.

¶Датчики и сенсоры

Магнитострикционные датчики измеряют механические напряжения, деформации, давление, силу. Принцип действия основан на обратном магнитострикционном эффекте (магнитоупругом эффекте): при деформации ферромагнетика изменяется его магнитная проницаемость, что регистрируется измерительной катушкой. Такие датчики используются в системах контроля вибраций, в автомобильной промышленности, в робототехнике.

¶Генераторы и двигатели

Магнитострикционные двигатели (линейные и вращательные) обеспечивают высокое усилие при малых перемещениях. Они применяются в микроэлектромеханических системах (МЭМС), в точной механике, в аэрокосмической технике. В отличие от пьезоэлектрических двигателей, магнитострикционные не требуют высокого напряжения и могут работать при больших механических нагрузках.

¶Акустические системы

Магнитострикционные излучатели используются в низкочастотных акустических системах (сабвуферах) и в гидроакустике для подводной связи. В гидролокаторах (сонарах) применяются мощные магнитострикционные преобразователи, способные генерировать звуковые волны большой амплитуды.

¶Интересные факты

• Магнитострикция является причиной шума трансформаторов. При работе трансформатора переменное магнитное поле вызывает периодическую деформацию сердечника, что приводит к вибрациям и характерному гудению. Для снижения шума сердечники изготавливают из материалов с минимальной магнитострикцией (например, из аморфных сплавов).
• В 1970-х годах в СССР были разработаны магнитострикционные материалы на основе редкоземельных металлов (тербий, диспрозий), которые по своим характеристикам не уступали зарубежным аналогам. Однако их промышленное производство было ограничено из-за высокой стоимости и сложности получения чистых редкоземельных элементов.
• Магнитострикция используется в некоторых конструкциях магнитометров для измерения слабых магнитных полей. Принцип основан на измерении деформации ферромагнитного стержня под действием поля.
• Явление магнитострикции наблюдается не только в твёрдых телах, но и в некоторых ферромагнитных жидкостях (магнитных жидкостях), однако в них оно выражено значительно слабее.

¶Критика и ограничения

Основным ограничением применения магнитострикции является малая величина деформации у большинства материалов. Для получения значительных перемещений требуются длинные стержни или составные конструкции, что увеличивает габариты устройств. Материалы с гигантской магнитострикцией (Terfenol-D) дороги и сложны в обработке, а также обладают хрупкостью. Кроме того, магнитострикционные преобразователи чувствительны к температуре: при нагреве магнитострикция уменьшается, а при достижении точки Кюри (температуры, выше которой ферромагнетизм исчезает) полностью пропадает. Для никеля точка Кюри составляет 358 °C, для железа — 770 °C, для Terfenol-D — около 380 °C.

В некоторых применениях магнитострикционные устройства уступают пьезоэлектрическим по быстродействию и КПД, однако выигрывают по величине усилия и устойчивости к механическим нагрузкам. Выбор между магнитострикционными и пьезоэлектрическими преобразователями зависит от конкретной задачи.

¶Источники

• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Т. 8. Электродинамика сплошных сред. — М.: Наука, 1982.
• Белов К. П. Магнитострикционные явления и их технические приложения. — М.: Наука, 1987.
• Кекало И. Б., Самарин Б. А. Физическое металловедение. Т. 2. — М.: Металлургия, 1987.
• Бозорт Р. Ферромагнетизм. — М.: Издательство иностранной литературы, 1956.
• Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю. В. Корицкого. — М.: Энергоатомиздат, 1988.