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 magnetostricción caracteriza el cambio de forma de un material ferromagnético durante la magnetización, mientras que el efecto magnetostrictivo 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 dada , la densidad de flujo para una intensidad de campo magnetizante dada puede aumentar o disminuir. La forma en que un material responde a las tensiones depende de su magnetostricción 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 se confirmó experimentalmente. ^[2] ${\displaystyle \sigma \lambda _{s}}$ ${\displaystyle B}$ ${\displaystyle \sigma \lambda _{s}}$ ${\displaystyle B}$

Explicación cuantitativa del efecto magnetoelástico

En el caso de una única tensión que actúa sobre un único dominio magnético, la densidad de energía de 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 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 con la tensión. ${\displaystyle \lambda _{s}}$ ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle \lambda _{s}}$ ${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle \theta }$

Efecto magnetoelástico en un monocristal

De hecho, la magnetostricción 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 llevó a los autores a definir dos magnetostricciones longitudinales independientes y . ${\displaystyle \lambda _{100}}$ ${\displaystyle \lambda _{111}}$

• En materiales cúbicos , la magnetostricción a lo largo de cualquier eje se puede definir mediante una combinación lineal conocida de estas dos constantes. Por ejemplo, el alargamiento a lo largo de [110] es una combinación lineal de y . ${\displaystyle \lambda _{100}}$ ${\displaystyle \lambda _{111}}$
• Suponiendo que la magnetostricción isotrópica (es decir, la magnetización del dominio es la misma en cualquier dirección cristalográfica), entonces y la dependencia lineal entre la energía elástica y la tensión se conserva, . Aquí, , y son los cosenos de dirección 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 de ensayo de las propiedades magnetoelásticas de los materiales magnéticos

Un método adecuado para probar eficazmente el efecto magnetoelástico en materiales magnéticos debe cumplir los siguientes requisitos: ^[3]

• El circuito magnético de la muestra en prueba debe estar cerrado. El circuito magnético abierto provoca desmagnetización , lo que reduce el efecto magnetoelástico y complica su análisis.
• La distribución de las tensiones debe ser uniforme. Se debe conocer el valor y la dirección de las tensiones.
• Debería existir la posibilidad de realizar los devanados magnetizantes 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 probada.
• tensiones de tracción o compresión aplicadas a la muestra en forma de marco. ^[5] Desventaja: solo se pueden probar materiales a granel. No hay tensiones en las juntas de las columnas de muestra.
• tensiones de compresión aplicadas al núcleo del anillo en dirección lateral. ^[6] Desventaja: distribución no uniforme de tensiones en el núcleo.
• tensiones de tracción o compresión aplicadas axialmente a la muestra de 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 los sensores:

• en ingeniería civil . ^[4]
• para la monitorización de grandes motores diésel en locomotoras . ^[10]
• para monitorización de válvulas de bola . ^[10]
• para el 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 de un componente inductivo, por ejemplo, compuertas de flujo o estatores de generadores/motores 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 de compresión y tracción uniformes" (PDF) . Journal of Electrical Engineering . 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 Bibliográfico :2003JMMM..254...67B. doi :10.1016/S0304-8853(02)00755-2.
4. Bydzovsky, J.; Kollar, M.; Svec, P.; et al. (2001). "Propiedades magnetoelásticas de cintas amorfas de CoFeCrSiB: una posibilidad de su aplicación" (PDF) . Journal of Electrical Engineering . 52 : 205.
5. Bienkowski, A.; Rozniatowski, K.; Szewczyk, R (2003). "Efectos del estrés y su dependencia de la microestructura en ferrita Mn-Zn para aplicaciones de potencia". Revista de magnetismo y materiales magnéticos . 254 : 547–549. Código Bibliográfico :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". IEEE Transactions on Magnetics . 14 (5): 1071–1075. Bibcode :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 de 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 magnetoelásticos de tensión y fuerza". Sensores y actuadores A - Física . 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". Physica Status Solidi A . 189 (3): 787–790. Código Bibliográfico :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 magnetoelásticos de fuerza y ​​par" (PDF) . Acta Physica Polonica A . 118 (5): 1008. Bibcode :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 - Física . 59 (1–3). Elsevier: 192–196. doi :10.1016/S0924-4247(97)80172-0.
12. Szewczyk, R.; Bienkowski, A. (2004). "Dependencia de la tensión de la sensibilidad del sensor fluxgate". Sensores y actuadores A - Física . 110 (1–3). Elsevier: 232. doi :10.1016/j.sna.2003.10.029.

Véase también

• Magnetostricción
• Anisotropía magnetocristalina