Villarijev efekt, magnetoelastični efekt — pojava obrnuta od magnetostrikcije

Villarijev učinak nazvan po talijanskom fizičaru Emilio Villarikoji je otkrio ovaj fenomen 1865. Fenomen se također naziva magnetoelastični učinak… Njegova fizikalna bit leži u promjeni magnetske permeabilnosti, kao i pripadajućih magnetskih svojstava feromagneta tijekom mehaničke deformacije uzoraka izrađenih od tih feromagneta. Rad se temelji na ovom principu magnetoelastični mjerni pretvarači.

Na primjer, pogledajte histereznih petlji permaloida i nikla u radnim uvjetima na mehanički opterećenim uzorcima od tih materijala. Dakle, kada se uzorak nikla rasteže, kako se vlačno naprezanje povećava, petlja histereze se naginje. To znači da što je nikal više istegnut, to je njegova magnetska propusnost manja. Smanjuje se i vlačna čvrstoća nikla. A permaloy je suprotnost.

Kada se uzorak permaloja rasteže, oblik njegove petlje histereze se približava pravokutnom, što znači da se magnetska propusnost permaloja povećava tijekom istezanja, a povećava se i rezidualni induktivitet. Ako se naprezanje mijenja od napetosti do kompresije, tada je i predznak promjene magnetskih parametara također obrnut.

Razlog za pojavu Villarijevog efekta feromagneta pod deformacijom je sljedeći. Kada mehaničko naprezanje djeluje na feromagnet, on mijenja svoju domensku strukturu, odnosno pomiču se granice domena, njihovi vektori magnetizacije se okreću. To je slično magnetiziranju jezgre strujom. Ako ti procesi imaju isti smjer, tada se magnetska permeabilnost povećava, ako je smjer procesa suprotan, smanjuje se.

Villarijev efekt je reverzibilan, otuda i njegov naziv obrnuti magnetostrikcijski učinak… Učinak izravne magnetostrikcije sastoji se u deformaciji feromagneta pod djelovanjem magnetskog polja primijenjenog na njega, što također dovodi do pomicanja granica domene, do rotacije vektora magnetskih momenata, dok kristalna rešetka tvari mijenja svoje energetsko stanje zbog promjene ravnotežnih udaljenosti svojih čvorova, zbog pomicanja atoma s njihovih prvobitnih mjesta. Kristalna rešetka je deformirana tako da za neke uzorke (željezo, nikal, kobalt, njihove legure itd.) istezanje doseže 0,01.

Tako, magnetostrikcija — svojstvo nekih feromagnetskih metala i legura da se tijekom magnetizacije deformiraju (kontrahiraju ili šire) i, obrnuto, mijenjaju magnetizaciju tijekom mehaničke deformacije.

Ovaj fenomen se koristi za implementaciju magnetostrikcijskih rezonatora, gdje dolazi do mehaničke rezonancije pod djelovanjem izmjeničnog magnetskog polja. Magnetostrikcijski rezonatori mogu se proizvoditi za frekvencije do 100 kHz pa čak i više, a na tim frekvencijama nalaze različite primjene za stabilizaciju frekvencije (slično piezoelektričnom kvarcu) za prijam ultrazvuka itd.

S gledišta magnetoelastičnog učinka, materijal se može karakterizirati takvim parametrom kao koeficijent magnetoelastične susceptibilnosti… Definira se kao omjer promjene relativne magnetske propusnosti tvari prema njezinoj relativnoj deformaciji ili primijenjenom mehaničkom naprezanju. A budući da su relativna promjena duljine i mehaničko naprezanje povezani Hookeov zakon, tada su koeficijenti međusobno povezani Youngovim modulom:

Promjena magnetske permeabilnosti materijala tijekom njegove deformacije može se pretvoriti u električni signal pomoću induktivnog mjerenja (induktivna ili međusobna induktivna pretvorba).

Poznato je da se induktivitet zavojnice u zatvorenom magnetskom krugu konstantnog presjeka nalazi sljedećom formulom:

Ako se sada magnetski krug deformira djelovanjem neke vanjske sile, tada će se promijeniti geometrijske dimenzije i magnetska permeabilnost magnetskog kruga (jezgre zavojnice). Dakle, mehanička deformacija mijenja induktivitet zavojnice. Promjena induktiviteta može se izračunati pomoću diferencijacije:

Feromagnetski materijali s izrazito izraženim Villarijevim efektom omogućuju uzimanje:

Za međusobnu induktivnu pretvorbu mjerenja mijenja se međusobna induktivnost zavojnica:

Villarijev efekt se koristi u modernim magneto-elastičnim mjernim pretvornicimakoji vam omogućuju mjerenje značajnih sila i pritisaka, mehaničkih naprezanja i deformacija u različitim objektima.