La magnetoestricción es una propiedad de los materiales magnéticos que hace que cambien su forma o dimensiones durante el proceso de magnetización . La variación de la magnetización de los materiales debido al campo magnético aplicado cambia la tensión magnetoestrictiva hasta alcanzar su valor de saturación, λ. El efecto fue identificado por primera vez en 1842 por James Joule al observar una muestra de hierro . [1]
La magnetoestricción se aplica a los campos magnéticos, mientras que la electroestricción se aplica a los campos eléctricos.
La magnetoestricción causa pérdida de energía debido al calentamiento por fricción en núcleos ferromagnéticos susceptibles, y también es responsable del zumbido grave que se puede escuchar proveniente de los transformadores, donde las corrientes alternas producen un campo magnético cambiante. [2]
Internamente, los materiales ferromagnéticos tienen una estructura que se divide en dominios , cada uno de los cuales es una región de magnetización uniforme. Cuando se aplica un campo magnético, los límites entre los dominios cambian y los dominios giran; Ambos efectos provocan un cambio en las dimensiones del material. La razón por la que un cambio en los dominios magnéticos de un material resulta en un cambio en las dimensiones del material es consecuencia de la anisotropía magnetocristalina ; Se necesita más energía para magnetizar un material cristalino en una dirección que en otra. Si se aplica un campo magnético al material en ángulo con respecto a un eje fácil de magnetización, el material tenderá a reorganizar su estructura de modo que un eje fácil esté alineado con el campo para minimizar la energía libre del sistema. Dado que diferentes direcciones del cristal están asociadas con diferentes longitudes, este efecto induce una tensión en el material. [3]
El efecto recíproco, el cambio de la susceptibilidad magnética (respuesta a un campo aplicado) de un material cuando se somete a un estrés mecánico, se denomina efecto Villari . Otros dos efectos están relacionados con la magnetoestricción: el efecto Matteucci es la creación de una anisotropía helicoidal de la susceptibilidad de un material magnetoestrictivo cuando se somete a un torque y el efecto Wiedemann es la torsión de estos materiales cuando se les aplica un campo magnético helicoidal.
La inversión de Villari es el cambio de signo de la magnetoestricción del hierro de positivo a negativo cuando se expone a campos magnéticos de aproximadamente 40 kA/m .
Al magnetizarse, un material magnético sufre cambios de volumen que son pequeños: del orden 10 −6 .
Al igual que la densidad de flujo , la magnetoestricción también presenta histéresis frente a la fuerza del campo magnetizante. La forma de este bucle de histéresis (llamado "bucle de libélula") se puede reproducir utilizando el modelo de Jiles-Atherton . [4]
Los materiales magnetoestrictivos pueden convertir la energía magnética en energía cinética , o al revés, y se utilizan para construir actuadores y sensores . La propiedad se puede cuantificar mediante el coeficiente magnetoestrictivo, λ, que puede ser positivo o negativo y se define como el cambio fraccionario de longitud a medida que la magnetización del material aumenta desde cero hasta el valor de saturación . El efecto es responsable del familiar " zumbido eléctrico " ( ⓘ ) que se puede escuchar cerca de transformadores y dispositivos eléctricos de alta potencia.
El cobalto exhibe la mayor magnetoestricción a temperatura ambiente de un elemento puro con 60 microdeformaciones. Entre las aleaciones, la magnetoestricción más alta conocida la exhibe Terfenol-D (Ter para terbio , Fe para hierro , NOL para Naval Ordnance Laboratory y D para disprosio ). Terfenol-D, Tb x Dy 1− x Fe 2 , exhibe alrededor de 2000 microdeformaciones en un campo de 160 kA/m (2 kOe) a temperatura ambiente y es el material magnetoestrictivo de ingeniería más comúnmente utilizado. [5] Galfenol , Fe x Ga 1− x , y Alfer , Fe x Al 1− x , son aleaciones más nuevas que exhiben 200-400 microdeformaciones en campos aplicados más bajos (~200 Oe) y tienen propiedades mecánicas mejoradas del frágil Terfenol- D. Ambas aleaciones tienen <100> ejes fáciles para magnetoestricción y demuestran suficiente ductilidad para aplicaciones de sensores y actuadores. [6]
Otro compuesto magnetoestrictivo muy común es la aleación amorfa Fe 81 Si 3,5 B 13,5 C 2 con su nombre comercial Metglas 2605SC. Las propiedades favorables de este material son su alta constante de magnetoestricción de saturación, λ, de aproximadamente 20 microdeformaciones y más, junto con una baja intensidad de campo de anisotropía magnética , HA , de menos de 1 kA/m (para alcanzar la saturación magnética ). Metglas 2605SC también exhibe un efecto ΔE muy fuerte con reducciones en el módulo de Young efectivo hasta aproximadamente un 80% en volumen. Esto ayuda a construir MEMS magnéticos energéticamente eficientes . [ cita necesaria ]
La ferrita de cobalto , CoFe 2 O 4 (CoO·Fe 2 O 3 ), también se utiliza principalmente para sus aplicaciones magnetoestrictivas como sensores y actuadores, gracias a su magnetoestricción de alta saturación (~200 partes por millón). [7] En ausencia de elementos de tierras raras , es un buen sustituto del Terfenol-D . [8] Además, sus propiedades magnetoestrictivas se pueden ajustar induciendo una anisotropía uniaxial magnética. [9] Esto se puede hacer mediante recocido magnético, [10] compactación asistida por campo magnético, [11] o reacción bajo presión uniaxial. [12] Esta última solución tiene la ventaja de ser ultrarrápida (20 min), gracias al uso de sinterización por plasma por chispa .
En los primeros transductores de sonar durante la Segunda Guerra Mundial, se utilizó níquel como material magnetoestrictivo. Para paliar la escasez de níquel, la marina japonesa utilizó una aleación de hierro y aluminio de la familia Alperm .
Las aleaciones monocristalinas exhiben una microdeformación superior, pero son vulnerables a la fluencia debido a las propiedades mecánicas anisotrópicas de la mayoría de los metales. Se ha observado que para aleaciones policristalinas con una alta cobertura de área de granos preferenciales para microdeformación, las propiedades mecánicas ( ductilidad ) de las aleaciones magnetoestrictivas se pueden mejorar significativamente. Los pasos de procesamiento metalúrgico específicos promueven el crecimiento anormal de los granos de {011} en láminas delgadas de galfenol y alfenol , que contienen dos ejes fáciles para la alineación del dominio magnético durante la magnetoestricción. Esto se puede lograr agregando partículas como especies de boruro [13] y carburo de niobio ( NbC ) [14] durante la fundición en frío inicial del lingote .
Para una aleación policristalina, una fórmula establecida para la magnetoestricción, λ, a partir de mediciones de microdeformación direccionales conocidas es: [15]
λs = 1/5(2λ 100 + 3λ 111 )
Durante los pasos posteriores de laminación en caliente y recristalización , se produce un fortalecimiento de las partículas en el que las partículas introducen una fuerza de “pinza” en los límites de los granos que impide el crecimiento normal ( estocástico ) del grano en un paso de recocido asistido por una atmósfera de H 2 S. Por lo tanto, se puede lograr una textura similar a un monocristal (~90% de cobertura de grano), lo que reduce la interferencia con la alineación del dominio magnético y aumenta la microdeformación alcanzable para aleaciones policristalinas medida con galgas extensométricas semiconductoras . [16] Estas texturas de superficie se pueden visualizar utilizando difracción de retrodispersión de electrones (EBSD) o técnicas de difracción relacionadas.
Para aplicaciones de actuador, la rotación máxima de los momentos magnéticos conduce a la mayor salida de magnetoestricción posible. Esto se puede lograr mediante técnicas de procesamiento como el recocido bajo tensión y el recocido en campo. Sin embargo, también se pueden aplicar pretensiones mecánicas a láminas delgadas para inducir la alineación perpendicular al accionamiento siempre que la tensión esté por debajo del límite de pandeo. Por ejemplo, se ha demostrado que una pretensión de compresión aplicada de hasta ~50 MPa puede dar lugar a un aumento de la magnetoestricción de ~90%. Se supone que esto se debe a un "salto" en la alineación inicial de los dominios perpendiculares a la tensión aplicada y una alineación final mejorada paralela a la tensión aplicada. [17]
Estos materiales generalmente muestran un comportamiento no lineal con un cambio en el campo magnético aplicado o en la tensión. Para campos magnéticos pequeños, el comportamiento constitutivo piezomagnético lineal [18] es suficiente. El comportamiento magnético no lineal se captura utilizando un modelo macroscópico clásico como el modelo de Preisach [19] y el modelo de Jiles-Atherton. [20] Para capturar el comportamiento magnetomecánico, Armstrong [21] propuso un enfoque de "energía promedio". Más recientemente, Wahi et al. [22] han propuesto un modelo constitutivo computacionalmente eficiente en el que el comportamiento constitutivo se captura utilizando un esquema de "linealización local".