Efecto magnetoestrictivo inverso

Fenómeno físico

El efecto magnetoestrictivo inverso , efecto magnetoelástico o efecto Villari , en honor a su descubridor Emilio Villari , es el cambio de la susceptibilidad magnética de un material cuando se somete a un esfuerzo mecánico.

Explicación

La magnetoestricción caracteriza el cambio de forma de un material ferromagnético durante la magnetización, mientras que el efecto magnetoestrictivo inverso caracteriza el cambio de magnetización de la muestra (para una intensidad de campo magnetizante dada ) cuando se aplican tensiones mecánicas a la muestra. ^[1] ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle M}$ ${\displaystyle H}$ ${\displaystyle \sigma }$

Explicación cualitativa del efecto magnetoelástico.

Bajo una tensión mecánica uniaxial determinada , la densidad de flujo para una intensidad de campo magnetizante determinada puede aumentar o disminuir. La forma en que un material responde a las tensiones depende de su magnetoestricción de saturación . Para este análisis, las tensiones de compresión se consideran negativas, mientras que las tensiones de tracción son positivas. Según el principio de Le Chatelier : ${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle B}$ ${\displaystyle H}$ ${\displaystyle \lambda _{s}}$ ${\displaystyle \sigma }$

${\displaystyle \left({\frac {d\lambda }{dH}}\right)_{\sigma }=\left({\frac {dB}{d\sigma }}\right)_{H}}$

Esto significa que cuando el producto es positivo, la densidad de flujo aumenta bajo tensión. Por otro lado, cuando el producto es negativo, la densidad de flujo disminuye bajo tensión. Este efecto fue confirmado experimentalmente. ^[2] ${\displaystyle \sigma \lambda _{s}}$ ${\displaystyle B}$ ${\displaystyle \sigma \lambda _{s}}$ ${\displaystyle B}$

Explicación cuantitativa del efecto magnetoelástico.

En el caso de una sola tensión que actúa sobre un solo dominio magnético, la densidad de energía de la deformación magnética se puede expresar como: ^[1] ${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle E_{\sigma }}$

${\displaystyle E_{\sigma }={\frac {3}{2}}\lambda _{s}\sigma \sin ^{2}(\theta )}$

donde es la expansión magnetoestrictiva en la saturación y es el ángulo entre la magnetización de saturación y la dirección de la tensión. Cuando y son ambos positivos (como en el hierro bajo tensión), la energía es mínima para = 0, es decir, cuando la tensión está alineada con la magnetización de saturación. En consecuencia, la magnetización aumenta por la tensión. ${\displaystyle \lambda _{s}}$ ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle \lambda _{s}}$ ${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle \theta }$

Efecto magnetoelástico en un solo cristal.

De hecho, la magnetoestricción es más compleja y depende de la dirección de los ejes del cristal. En el hierro , los ejes [100] son ​​las direcciones de fácil magnetización, mientras que hay poca magnetización a lo largo de las direcciones [111] (a menos que la magnetización se acerque a la magnetización de saturación, lo que lleva al cambio de la orientación del dominio de [111] a [100]). Esta anisotropía magnética empujó a los autores a definir dos magnetoestricciones longitudinales independientes y . ${\displaystyle \lambda _{100}}$ ${\displaystyle \lambda _{111}}$

• En materiales cúbicos , la magnetoestricción a lo largo de cualquier eje puede definirse mediante una combinación lineal conocida de estas dos constantes. Por ejemplo, el alargamiento a lo largo de [110] es una combinación lineal de y . ${\displaystyle \lambda _{100}}$ ${\displaystyle \lambda _{111}}$
• Bajo supuestos de magnetoestricción isotrópica (es decir, la magnetización del dominio es la misma en cualquier dirección cristalográfica), entonces se conserva la dependencia lineal entre la energía elástica y la tensión . Aquí, y son los cosenos directores de la magnetización del dominio, y los de las direcciones de enlace, hacia las direcciones cristalográficas. ${\displaystyle \lambda _{100}=\lambda _{111}=\lambda }$ ${\displaystyle E_{\sigma }={\frac {3}{2}}\lambda \sigma (\alpha _{1}\gamma _{1}+\alpha _{2}\gamma _{2}+\alpha _{3}\gamma _{3})^{2}}$ ${\displaystyle \alpha _{1}}$ ${\displaystyle \alpha _{2}}$ ${\displaystyle \alpha _{3}}$ ${\displaystyle \gamma _{1}}$ ${\displaystyle \gamma _{2}}$ ${\displaystyle \gamma _{3}}$

Método para probar las propiedades magnetoelásticas de materiales magnéticos.

El método adecuado para realizar pruebas eficaces del efecto magnetoelástico en materiales magnéticos debe cumplir los siguientes requisitos: ^[3]

• El circuito magnético de la muestra analizada debe estar cerrado. Un circuito magnético abierto provoca desmagnetización , lo que reduce el efecto magnetoelástico y complica su análisis.
• La distribución de tensiones debe ser uniforme. Se debe conocer el valor y la dirección de las tensiones.
• Debería existir la posibilidad de realizar los devanados magnetizadores y sensores en la muestra, necesarios para medir el bucle de histéresis magnética bajo tensiones mecánicas.

Se desarrollaron los siguientes métodos de prueba:

• tensiones de tracción aplicadas a la tira de material magnético en forma de cinta. ^[4] Desventaja: circuito magnético abierto de la muestra analizada.
• tensiones de tracción o compresión aplicadas a la muestra en forma de marco. ^[5] Desventaja: sólo se pueden ensayar materiales a granel. Sin tensiones en las uniones de las columnas de muestra.
• Esfuerzos de compresión aplicados al núcleo del anillo en dirección lateral. ^[6] Desventaja: distribución no uniforme de tensiones en el núcleo.
• esfuerzos de tracción o compresión aplicados axialmente a la muestra del anillo. ^[7] Desventaja: las tensiones son perpendiculares al campo magnetizante.

Aplicaciones del efecto magnetoelástico

El efecto magnetoelástico se puede utilizar en el desarrollo de sensores de fuerza . ^{[8] [9]} Este efecto se utilizó para sensores:

• en ingeniería civil . ^[4]
• para el control de grandes motores diésel en locomotoras . ^[10]
• para el control de válvulas de bola . ^[10]
• para seguimiento biomédico. ^[11]

Los efectos magnetoelásticos inversos también deben considerarse como un efecto secundario de la aplicación accidental o intencional de tensiones mecánicas al núcleo magnético del componente inductivo, por ejemplo, compuertas de flujo o estatores de generador/motor cuando se instalan con ajustes de interferencia. ^[12]

Referencias

1. Bozorth, R. (1951). Ferromagnetismo . Van Nostrand.
2. Salach, J.; Szewczyk, R.; Bienkowski, A.; Frydrych, P. (2010). "Metodología para probar las características magnetoelásticas de núcleos en forma de anillo bajo tensiones uniformes de compresión y tracción" (PDF) . Revista de Ingeniería Eléctrica . 61 (7): 93.
3. Bienkowski, A.; Kolano, R.; Szewczyk, R (2003). "Nuevo método de caracterización de propiedades magnetoelásticas de núcleos de anillos amorfos". Revista de Magnetismo y Materiales Magnéticos . 254 : 67–69. Código Bib : 2003JMMM..254...67B. doi :10.1016/S0304-8853(02)00755-2.
4. Bydzovsky, J.; Kollar, M.; Svec, P.; et al. (2001). "Propiedades magnetoelásticas de las cintas amorfas de CoFeCrSiB: una posibilidad de su aplicación" (PDF) . Revista de Ingeniería Eléctrica . 52 : 205.
5. Bienkowski, A.; Rozniatowski, K.; Szewczyk, R (2003). "Efectos de la tensión y su dependencia de la microestructura en ferrita de Mn-Zn para aplicaciones de energía". Revista de Magnetismo y Materiales Magnéticos . 254 : 547–549. Código Bib : 2003JMMM..254..547B. doi :10.1016/S0304-8853(02)00861-2.
6. Mohri, K.; Korekoda, S. (1978). "Nuevos transductores de fuerza que utilizan núcleos de cinta amorfos". Transacciones IEEE sobre magnetismo . 14 (5): 1071-1075. Código bibliográfico : 1978ITM....14.1071M. doi :10.1109/TMAG.1978.1059990.
7. Szewczyk, R.; Bienkowski, A.; Salach, J.; et al. (2003). "La influencia de la microestructura en las características de tensión de compresión de los sensores nanocristalinos tipo FINEMET" (PDF) . Revista de Optoelectrónica y Materiales Avanzados . 5 : 705.
8. Bienkowski, A.; Szewczyk, R. (2004). "La posibilidad de utilizar materiales magnéticos de alta permeabilidad en la construcción de sensores de fuerza y ​​tensión magnetoelásticos". Sensores y Actuadores A - Físicos . 113 (3). Elsevier: 270–276. doi :10.1016/j.sna.2004.01.010.
9. Bienkowski, A.; Szewczyk, R. (2004). "Nueva posibilidad de utilizar núcleos de anillos amorfos como sensor de tensión". Estado físico Solidi A. 189 (3): 787–790. Código Bib : 2002PSSAR.189..787B. doi :10.1002/1521-396X(200202)189:3<787::AID-PSSA787>3.0.CO;2-G.
10. Bienkowski, A.; Szewczyk, R.; Salach, J. (2010). "Aplicación industrial de sensores de par y fuerza magnetoelásticos" (PDF) . Acta Física Polonica A. 118 (5): 1008. Código bibliográfico : 2010AcPPA.118.1008B. doi : 10.12693/APhysPolA.118.1008 .
11. Meydan, T.; Oduncu, H. (1997). "Mejora de las propiedades magnetoestrictivas de cintas amorfas para una aplicación biomédica". Sensores y Actuadores A - Físicos . 59 (1–3). Elsevier: 192-196. doi :10.1016/S0924-4247(97)80172-0.
12. Szewczyk, R.; Bienkowski, A. (2004). "Dependencia del estrés de la sensibilidad del sensor fluxgate". Sensores y Actuadores A - Físicos . 110 (1–3). Elsevier: 232. doi :10.1016/j.sna.2003.10.029.

Ver también

• Magnetoestricción
• Anisotropía magnetocristalina