Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии

Стартовая страница

О системе

Технические требования

Синтез

Обучающий модуль

Справка по системе

Контакты
Искать:
  Расширенный   Формализованый   По связи разделов
 А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я 
Общий каталог эффектов

Механострикция
Механострикция

Описание

Механострикция - дополнительная деформация, возникающая в материалах с магнитным упорядочением (ферро-, ферри-, антиферромагнетиках) при наложений на них механического напряжения. Суть этого эффекта такова: механическое напряжение деформирует кристаллическую решетку вещества, что приводит к изменению структуры доменов (областей однородной намагниченности) и через эффект магнитострикции (измененное магнитное поле деформирует кристаллическую решетку) создает дополнительную деформацию. Отклонение от закона Гука показано на рисунке: OA - без эффекта механострикции (закон Гука), OBC - при наличии эффекта, DBC - при приложенном внешнем магнитном поле, OB'C - эффект для магнитомягких материалов.
Зависимости относительной деформации ε образца магнетика от внешнего растягивающего напряжения σ.

Рисунок 1 – Зависимости относительной деформации ? образца магнетика от внешнего растягивающего напряжения ?.

Рис.1
 Чаще всего речь идёт о продольных деформациях: растяжение (напряжение σ > 0) – сжатие (σ < 0). В случае σ > 0 прямая АО (рис.1) характеризует относительное упругое удлинение образца в зависимости от σ; тогда кривая ОВС – зависимость от σ полного удлинения , где и есть механострикция. В магнитомягких материалах кривая ОВ идёт круче, в менее мягких – более полого (ОВ’), т. к. смещение доменных стенок в последних затруднено и отступление от Гука закона в них проявляется не так заметно. Наложение на образец с λ>0 магнитного поля вызовет его магнитострикцию OD, и при последующем росте σ явление опишется кривой DBC, а механострикция окажется соответственно меньше.
Механострикция может только увеличивать общую деформацию. Это связано с тем, что при упругом растяжении в случае λ>0 векторы Ms доменов образца поворачиваются вдоль направления растяжения; в случае λ<0 векторы Ms стремятся расположиться в плоскости, перпендикулярной направлению растяжения, – при этом механострикция, «поперечная» к векторам Ms, будет также положительна. Из теории следует, что явление механострикции связано со знаком магнитоупругой энергии – произведения λSσ, где λS - магнитострикция насыщения. У соединений, содержащих редкоземельные элементы и обладающих большой (~10-3) величиной λS, знак величины определяет зависимость механострикция от напряжения и магнитного поля.
В ряде инварных сплавов и редкоземельных сплавов и соединений, особенно вблизи температур магнитных фазовых переходов, упругие деформации вызывают заметное изменение не только направления, но и величины Ms, что через посредство объёмной магнитострикции w парапроцесса может приводить к добавочной механострикции – за счёт «механопарапроцесса».

 

 

Ключевые слова

 

Разделы наук

 

Применение эффекта

Материалы и сплавы, на которых проявляется эффект механострикции, ходят применение в промышленности и измерительной технике. Решение многих технических проблем, особенно в точном приборостроении, метрологии, авиации, в производстве электро- и радиоламп, стало возможным в результате разработки специальных сплавов на железной основе, имеющих инварные свойства. Сплав, называемый элинваром (33% Ni, 7—9% Cr, 2—4% W, 2—3% Mn, остальное Fe), получил широкое применение в точном приборостроении. Вольфрам, хром, а также углерод, молибден и другие примеси вводят для упрочения. Эти элементы вызывают дисперсионное отверждение или карбидообразование, поэтому прочность сплава повышается.
Наиболее эффективно механострикция проявляется в проволоке из сплава типа инвар (15% Ni, 85% Fe), у которой самопроизвольная намагниченность сильно зависит от упругих напряжений. Механострикция вследствие механопарапроцесса может достигать заметной величины, например в трубках из перминвара (30% Fe, 25% Со, 45% Ni).
Магнитное поле может быть направлено либо вдоль образца, параллельно линии действия силы, либо поперек образца, перпендикулярно к действию силы. Сила направлена вдоль образца.
 

 

Реализации эффекта

С механострикцией непосредственно связан ΔE-эффект – зависимость модуля упругости Е изотропных (поликристаллических или аморфных) ферро-, ферри- и антиферромагнетиков от величины магнитного поля. В отсутствие внешнего магнитного поля, когда векторы Ms доменов «свободны», механическое напряжение, наложенное на образец, вызывает обычно упругое удлинение εe и удлинение магнитострикционной природы εm, т. е. E0 = σ/(εe + εm), где Е0 – модуль упругости упорядоченного магнетика в размагниченном состоянии. Наложение сильного магнитного поля, закрепляя все векторы Ms и вызывая магнитострикцию насыщения λS, сводит к нулю εm; т. е. модуль ES магнетика, намагниченного до «технического» насыщения, равен Ее – модулю при отсутствии механострикции. Максимальный ΔE-эффект ΔE/Е0 = (ЕS - Е0)/Е0. Расчёты показывают, что ΔE/Е0 = Aλ2Sχ0ЕS/M2s , где χ0 – начальная восприимчивость данного процесса намагничивания, A~1 (численная константа). Т. о., максимальный ΔE-эффект велик в материалах с большой магнитострикцией, малой магнитокристаллической анизотропией, малыми внутренними напряже¬ниями. Например, у отожжённого Ni ΔE/Е0 = 19-22%. У соединений с большой λS (Tb0.3Dy0.7Fe2 и UFe2) обнаружен ΔE-эффект, достигающий 160%.
Вычисление зависимости ΔE-эффекта от магнитного поля Н представляет собой более сложную задачу, оно возможно, если известна функция распределения векторов Ms всех доменов образца. У ряда магнетиков в сравнительно слабых полях можно наблюдать уменьшение модуля EH от значения Ео и только затем его рост до Em. Это так называемый отрицательный ΔE–эффект, который связывают с преодолением задержки смещения границ доменов и другими подобными процессами.

 

Литература

1. Физическая энциклопедия / Гл. ред. А.М. Прохоров. – М.: Большая Российская энциклопедия. 1998.

2. Физические эффекты в машиностроении: Справочник. / под общ. ред. В.А. Лукьянца. – М.: Машиностроение. 1993.

Формализованное описание Показать

Стартовая страница  О системе  Технические требования  Синтез  Обучающий модуль  Справка по системе  Контакты 
Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина