Magnetostriktsioon onferromagnetiliste materjalide omadus muutamagnetvälja toimel oma mõõtmeid (analoogiliseltpieso-pöördefektiga).[1]
Efekti täheldas esimest kordaJames Joule 1842. aastal, uuridesraua proove.[2] Magnetostriktiivne efekt ilmneb lisaks näiteksniklil, nikli-raua sulamitel ja mõnelferriidil (näiteks NiFeO4).
Ferromagnetilistes südamikes põhjustab magnetostriktiivne efekt sisemisihõõrdejõude, mis omakorda tekitab südamikes soojuslikke energiakadusid. Samuti põhjustab efekttrafodes madalasageduslikku suminat.[3] (Listenⓘ)
Ferromagnetiliste materjalide seesminestruktuur koosnebmagnetilistest domeenidest, millest igaüks kujutab endast ühtlasemagnetilise polarisatsiooniga piirkonda. Domeenideks jagunemise tulemusena väheneb materjali magnetostaatiline siseenergia. Välise magnetvälja korral domeenidevahelised piirid nihkuvad ning domeenid pöörduvad – mõlemad nähtused põhjustavadki materjali mõõtmete muutust (magnetdomeemide kohta vtmagnetdomeenid).
Magnetostriktiivset efekti kirjeldatakse kvantitatiivselt magnetostriktsiooni konstandiga, mis väljendab materjali suhtelise pikkuse muutust, kui materjali magneeditakse nullnivoost küllastusväärtuseni. Matemaatiliselt on see võrdeline suhtega magnetvälja rakendamisel pikikergmagneetimistelge (ingleasy axis) ning seda mõõdetaksemiljondikosades (1 ppm =10−6). Üldjuhul avaldub vastav lineaarnedeformatsioon valemiga:
kus on nurk kergmagneetumistelje ja magnetvälja suuna vahel. Magnetostriktsiooni konstant võib olla nii positiivne (keha pikeneb magnetväljas) kui ka negatiivne (keha lüheneb magnetväljas). Raual ja enamikul rauasulamitel on magnetostriktsioon positiivne, kuid näiteks niklil negatiivne.[4]
Ferromgnetiliste ainete magneetimisel deformeerub aine paralleelselt magnetvälja suunaga (toimub elastne pikkusmuutus, mida tuntakse Joule’i magnetostriktsioonina. Seejuures aineruumala muutub väga vähesel määral. Erandiks on raua ja nikli sulaminvar, mille puhul mõjutab magnetväli aine ruumala; mahuline magnetostriktsioon on siiski palju väiksem kui pikkuse muutus ferromagneetikutel.
Magnetilise hüstereesi tõttu reageerib magnetostriktsioon välise magnetvälja tugevuse muutustele hilinemisega, sest magnetostriktsiooni ulatus ei sõltu mitte ainult magneetiva välja tugevusest, vaid ka materjali varasemast magneetumusest. Seetõttu hilineb ka materjali mõõtmete ennistumine esialgsesse olekusse. Graafiliselt väljendub see sõltuvushüstereesisilmusena.[5]
| Materjal | Magnetostriktsiooni konstant 10−6 | Curie temperatuurTC °C |
|---|---|---|
| Fe | −14 | 770 |
| Ni | −50 | 358 |
| Co | −93 | 1120 |
| Tb | 3000 | −48 |
| Dy | 6000 | −184 |
| TbFe2 | 1753 | 424 |
| SmFe2 | −1560 | 403 |
| Samfenool-D | −1125 | |
| CoFe2O4 (monokristall) | 600...900 | 520 |
| CoFe2O4 (polükristalliin) | 230 | 520 |
Pöördmagnetostriktiivne efekt (tuntud ka kuimagnetoelastne efekt ehkVillari efekt) kirjeldab ferromagnetiliste materjalidemagnetilise vastuvõtlikkuse muutust mehaanilise pinge rakendamisel.
Matteucci efekt on magnetoelastse efekti erivorm, mille korral tekib materjalisväändemomendi tõttu magnetilise vastuvõtlikkusespiraalneanisotroopia. Vastav pöörd-magnetoelastne ehk magnetostriktiivne efekt onWiedemanni efekt, mispuhul vastavad materjalid väänduvad spiraalse välise magnetvälja rakendamisel.
Villari ümberpöördeks nimetatakse raua magnetostriktsiooni märgi muutust positiivsest negatiivseks juhul, kui materjalile rakendatakse väline magnetväli tugevusega umbes 40 000 A/m.
Magnetoelastse efekti abil saab mõõtajõude,mehaanilisi pingeid jajõumomente. Magnetostriktiivse efekti põhjal on välja töötatudultrahelilainete allikaid. Magnetostriktiivseid materjale kasutatakse nende energiamuundamisvõime tõttu kaandurite jatäiturite valmistamisel.
Magnetoelastsel efekti kasutatakse näiteks mitut tüüpi magnetoelastsetes muundurites, shmagnetoanisotroopsetes indukjtiivmuundurites. Nende talitlus põhineb ferromagnetiliste materjalide magnetilisel anisotroopsusel ehk mitteisotroopsusel, kui neis tekivad välistest jõududest põhjustatud mehaanilised pinged. Anisotroopsus seisneb selles, et magnetiline läbitavus on materjalide eri piirkondades erineva väärtusega.
Joonistel on kujutatudtrafo-tüüpi muundurid, mille magnetsüdamik on valmistatud lehtmaterjalist. Südamikes on ruudukujuliselt neli ava.Ergutusmähis W1 jamõõtemähis W2 on üksteise suhtes täisnurga all, mis väldib nendevahelist induktiivset sidet.
Kui mõõtemuundur on koormamata (F = 0), siis materjalis pole magnetilist anisotroopsust. Ergutusmähise tekitatudmagnetvoog kulgeb piki jooni, mis ei lõiku mõõtemähisega W2 ja selles ei tekielektromotoorjõudu. Kui rakendatakse andurile jõudu F, tekivad magnetsüdamikus mehaanilised survepinged. Materjalis tekib magnetiline anisotroopsus. Positiivse magnetostriktsiooni korral magnetiline läbitavus väheneb rakendatud jõuga paralleelses suunas, kusjuures jõuga ristsihis magnetiline läbitavus väheneb. Selle tulemusena magnetvälja jõujooned moonutuvad. Osa nendest jõujoontest ümbritsevad mõõtemähise ja indutseerivad selles elektromotoorjõu. Viimast on võimalik registreerida ning viia vastavusse mähisele rakendatud jõuga.[6]