23. Магнитострикционные материалы
Магнитострикция – физическое явление, заключающееся в изменении геометрических размеров тела при изменении его состояния намагниченности. Данный эффект обусловлен изменением взаимосвязей между атомами в кристаллической решетке (подобно тепловому расширению), и поэтому свойственен всем веществам. Наибольшие изменения размеров обычно наблюдаются у магнитомягких материалов, относительное удлинение которых λ=Δl/l варьируется в пределах 10−5–10−2.
К обычным магнитострикционным материалам относятся: Ni, сплавы: Fe-Al, Fe-Ni, Со-Ni, Fe-Со, Со-Fe, ряд ферритов (CoFe2O4, NiFe2O4), некоторые редкоземельные металлы, а также их сплавы и соединения.
Относительно недавно было обнаружено, что магнитострикционный эффект некоторых редкоземельных металлов, таких как тербий и диспрозий, а так же их сплавов на несколько порядков (до 104) превышает магнитострикционный эффект материалов на основе элементов группы железа. В подобных случаях говорят, что имеет место гигантский магнитострикционный эффект [10].
В общем случае магнитострикционный эффект, описываемый λ имеет нелинейную зависимость от приложенного внешнего магнитного поля, и сильно зависит от химического состава материала и температуры.
Ферритовые магнитострикционные преобразователи благодаря своим свойствам широко применяются как преобразователь (резонатор), колебаний магнитного поля в колебания механические и наоборот – эффект Виллари.
Также широкое распространение получили ферритовые магнитострикционные преобразователи, в которых возбуждаются продольные или крутильные колебания, что достигается посредством одновременного воздействия на них постоянного и переменного магнитных полей вдоль оси ферритового стержня.
В этом случае, помимо коэффициента относительного удлинения, основными параметрами, характеризующими ферритовый магнитострикционный сердечник, являются: [11]
Ксв – коэффициент магнитомеханической связи:
где fa – антирезонансная частота; fрез – резонансная частота.
Q – механическая добротность:
где Rрез – сопротивление резонатора в момент резонанса; L – индуктивность резонатора на частоте, далекой от резонанса.
ТКЧ – температурный коэффициент резонансной частоты;
где f1рез – резонансная частота при температуре T1; f2рез – резонансная частота при температуре T2.
v – скорость распространения упругих колебаний
v=2πfрезl,
где l – длина сердечника.
Приведенные параметры характеризуют ферритовый преобразователь независимо от вида колебаний (продольные или крутильные). Модуль импеданса, включенного в электрическую цепь магнитострикционного резонатора, имеет резонансный характер (рис. 3.3). Поведение этого резонатора в электрической цепи может быть описано с помощью эквивалентной электрической схемы (рис. 3.4), а его параметры выражены через номиналы элементов этой схемы.
Рис. 3.3. Импеданс магнитострикционного резонатора,
как функция частоты
Рис. 3.4. Эквивалентная электрическая схема магнитострикционного резонатора
Таким образом, определение основных параметров магнитострикционного резонатора сводится к определению fрез, fа, Rрез и L. На практике, значение L измеряется LС-метром, на частотах, далеких от резонанса. Для определения fрез и рабочего затухания b резонатор включают согласно схеме, представленной на рис. 3.5, а. Значение рабочего затухания определяют по магазину затуханий методом сравнения, а fрез – частотомером.
Сопротивление контура в момент резонанса можно определить из выражения (3.9).
Rрез=Rн(eb-1), (3.9)
где Rн – сопротивление нагрузки; b – значение рабочего затухания.
Рис. 3.5. Схемы включения магнитострикционного резонатора
Для определения антирезонансной частоты fа резонатор включают по схеме (рис. 3.5, б). Уровень сигнала устанавливают по измерителю уровня при короткозамкнутой обмотке резонатора и нулевом показании магазина затуханий.
Удовлетворительные значения представленных выше параметров удается получить на преобразователях из никелевого феррита с различными присадками. Особенно эффективной является добавка ионов кобальта, что приводит к снижению температурного коэффициента резонансной частоты и увеличению коэффициента магнитомеханической связи.
В современной промышленности, подобные магнитострикционные резонаторы широко используются в качестве источников механических колебаний ультразвукового и гиперзвукового диапазонов.