Villariho efekt, magnetoelastický efekt — obrácený jev magnetostrikce

Villariho efekt pojmenovaný po italském fyzikovi Emilio Villarikterý tento jev objevil v roce 1865. Jev se také nazývá magnetoelastický efekt… Jeho fyzikální podstata spočívá ve změně magnetické permeability as tím spojených magnetických vlastností feromagnetik při mechanické deformaci vzorků z těchto feromagnetik. Na tomto principu je práce založena magnetoelastické měřicí převodníky.

Například se podívejte hysterezních smyček permaloid a nikl za provozních podmínek na mechanicky namáhaných vzorcích vyrobených z těchto materiálů. Takže když je vzorek niklu natažen, jak se zvyšuje tahové napětí, hysterezní smyčka se naklání. To znamená, že čím více je nikl natažen, tím nižší je jeho magnetická permeabilita. Pevnost niklu v tahu také klesá. A permaloy je pravý opak.

Když je vzorek permalloy natahován, tvar jeho hysterezní smyčky se blíží obdélníkovému, což znamená, že magnetická permeabilita permalloy se během natahování zvyšuje a zvyšuje se i zbytková indukčnost. Pokud se napětí změní z tahu na tlak, pak se znaménko změny magnetických parametrů také obrátí.

Důvod pro projev Villariho jevu feromagnetik při deformaci je následující. Když na feromagnet působí mechanické napětí, mění se jeho doménová struktura, to znamená, že se posouvají hranice domén, rotují jejich magnetizační vektory. Je to podobné jako magnetizace jádra proudem. Pokud mají tyto procesy stejný směr, pak se magnetická permeabilita zvyšuje, pokud je směr procesů opačný, klesá.

Villariho efekt je reverzibilní, odtud jeho název reverzní magnetostrikční efekt… Účinek přímé magnetostrikce spočívá v deformaci feromagnetika působením magnetického pole na něj působícího, což také vede k posunutí hranic domén, k rotaci vektorů magnetických momentů, přičemž krystalová mřížka látky mění svůj energetický stav v důsledku změny rovnovážných vzdáleností svých uzlů v důsledku přemístění atomů z jejich původních míst. Krystalová mřížka je deformována tak, že u některých vzorků (železo, nikl, kobalt, jejich slitiny atd.) dosahuje prodloužení 0,01.

Tak, magnetostrikce — vlastnost některých feromagnetických kovů a slitin se při magnetizaci deformovat (stahovat nebo roztahovat) a při mechanické deformaci naopak magnetizaci měnit.

Tento jev se využívá k realizaci magnetostrikčních rezonátorů, kde dochází k mechanické rezonanci působením střídavých magnetických polí. Magnetostrikční rezonátory lze vyrábět pro frekvence do 100 kHz i vyšší a na těchto frekvencích nacházejí různé aplikace pro stabilizaci frekvence (podobně jako piezoelektrický křemen) pro příjem ultrazvuku atd.

Z hlediska magnetoelastického efektu lze materiál charakterizovat takovým parametrem, jako je koeficient magnetoelastické susceptibility… Je definován jako poměr změny relativní magnetické permeability látky k jejímu relativnímu namáhání nebo k aplikovanému mechanickému namáhání. A protože relativní změna délky a mechanické napětí spolu souvisí Hookův zákon, pak jsou koeficienty ve vzájemném vztahu podle Youngova modulu:

Změnu magnetické permeability materiálu při jeho deformaci lze převést na elektrický signál pomocí indukčního měření (indukční nebo vzájemný indukční převod).

Je známo, že indukčnost cívky na uzavřeném magnetickém obvodu konstantního průřezu se zjistí podle následujícího vzorce:

Pokud se nyní magnetický obvod působením nějaké vnější síly deformuje, pak se změní geometrické rozměry a magnetická permeabilita magnetického obvodu (jádra cívky). Mechanická deformace tedy mění indukčnost cívky. Změnu indukčnosti lze vypočítat pomocí diferenciace:

Feromagnetické materiály s vysoce výrazným Villariho efektem umožňují přijímat:

Pro převod vzájemného indukčního měření se změní vzájemná indukčnost cívek:

Villariho efekt se používá v moderních magnetoelastických měřicích převodnícíchkteré umožňují měřit významné síly a tlaky, mechanická napětí a deformace v různých objektech.