Villari efekt, magnetoelastne efekt — magnetostriktsiooni vastupidine nähtus
Villari efekt nime saanud itaalia füüsiku järgi Emilio Villarikes avastasid selle nähtuse aastal 1865. Nähtust nimetatakse ka magnetoelastne efekt… Selle füüsikaline olemus seisneb magnetilise läbilaskvuse muutumises, samuti ferromagnetitega seotud magnetilistes omadustes nendest ferromagnetitest valmistatud näidiste mehaanilise deformatsiooni käigus. Töö põhineb sellel põhimõttel magneto-elastsed mõõtemuundurid.
Näiteks vaata hüstereesi silmustest permaloid ja nikkel töötingimustes nendest materjalidest valmistatud mehaaniliselt pingestatud katsekehadel. Seega, kui nikliproovi venitatakse, kaldub tõmbepinge suurenedes hüstereesisilmus. See tähendab, et mida rohkem niklit venitatakse, seda väiksem on selle magnetiline läbilaskvus. Samuti väheneb nikli tõmbetugevus. Ja permaloy on vastupidine.
Permalloy proovi venitamisel läheneb selle hüstereesisilmuse kuju ristkülikukujulisele, mis tähendab, et venitamisel suureneb permalloy magnetiline läbilaskvus ja suureneb ka jääk-induktiivsus. Kui pinge muutub pingest survele, siis on ka magnetparameetrite muutumise märk vastupidine.
Deformatsiooni all olevate ferromagnetite Villari efekti avaldumise põhjus on järgmine. Kui mehaaniline pinge mõjutab ferromagnetit, muudab see selle domeeni struktuuri, st domeeni piirid nihkuvad, nende magnetiseerimisvektorid pöörlevad. See sarnaneb südamiku magnetiseerimisega vooluga. Kui need protsessid on ühesuunalised, siis magnetiline läbilaskvus suureneb, kui protsesside suund on vastupidine, siis see väheneb.
Villari efekt on pöörduv, sellest ka selle nimi vastupidine magnetostriktiivne efekt… Otsese magnetostriktsiooni mõju seisneb ferromagneti deformatsioonis sellele rakendatud magnetvälja mõjul, mis toob kaasa ka domeenipiiride nihke, magnetmomentide vektorite pöörlemise, samas kui kristallvõre. Aine muudab oma energiaolekut selle sõlmede tasakaalukauguste muutumise tõttu, mis on tingitud aatomite nihkumisest nende algsetest kohtadest. Kristallvõre deformeerub nii, et mõne proovi (raud, nikkel, koobalt, nende sulamid jne) puhul ulatub venivus 0,01-ni.
Niisiis, magnetostriktsioon — mõnede ferromagnetiliste metallide ja sulamite omadus deformeeruda (kokkutõmbuda või laieneda) magnetiseerimisel ja vastupidi muuta magnetiseeritust mehaanilise deformatsiooni käigus.
Seda nähtust kasutatakse magnetostriktiivsete resonaatorite rakendamiseks, kus vahelduvate magnetväljade toimel tekib mehaaniline resonants. Magnetostriktiivseid resonaatoreid saab valmistada sagedustele kuni 100 kHz ja isegi kõrgematele ning nendel sagedustel leiavad nad erinevaid rakendusi sageduse stabiliseerimiseks (sarnaselt piesoelektrilisele kvartsile) ultraheli vastuvõtuks jne.
Magnetoelastse efekti seisukohalt saab materjali iseloomustada sellise parameetriga nagu magnetoelastse vastuvõtlikkuse koefitsient… See on määratletud kui aine suhtelise magnetilise läbilaskvuse muutuse ja selle suhtelise deformatsiooni või rakendatud mehaanilise pinge muutuse suhe. Ja kuna suhteline pikkuse muutus ja mehaaniline pinge on omavahel seotud Hooke'i seadus, siis on koefitsiendid omavahel seotud Youngi mooduliga:
Materjali magnetilise läbilaskvuse muutumise deformatsiooni ajal saab induktiivse mõõtmise (induktiiv- või vastastikune induktiivmuundamine) abil teisendada elektrisignaaliks.
On teada, et mähise induktiivsus konstantse ristlõikega suletud magnetahelal leitakse järgmise valemiga:
Kui nüüd magnetahel deformeerub mingi välisjõu mõjul, siis muutuvad magnetahela (pooli südamiku) geomeetrilised mõõtmed ja magnetiline läbilaskvus. Seega muudab mehaaniline deformatsioon mähise induktiivsust. Induktiivsuse muutust saab arvutada diferentseerimise abil:
Tugevalt väljendunud Villari efektiga ferromagnetilised materjalid võimaldavad võtta:
Vastastikuse induktiivse mõõtmise teisendamiseks muudetakse mähiste vastastikust induktiivsust:
Villari efekti kasutatakse kaasaegsetes magneto-elastsetes mõõtemuunduritesmis võimaldavad mõõta olulisi jõude ja rõhku, mehaanilisi pingeid ja deformatsioone erinevates objektides.