Виллари ефекат, магнетоеластични ефекат — обрнути феномен магнетострикције

Виллари ефекат назван по италијанском физичару Емилио Вилларикоји је ову појаву открио 1865. Феномен се још назива магнетоеластични ефекат… Његова физичка суштина је у промени магнетне пермеабилности, као и припадајућих магнетних својстава феромагнета током механичке деформације узорака направљених од ових феромагнета. Рад се заснива на овом принципу магнетоеластични мерни претварачи.

На пример, погледајте хистерезисних петљи пермалоида и никла у условима рада на механички напрезаним узорцима од ових материјала. Дакле, када се узорак никла растеже, како расте затезни напон, петља хистерезе се нагиње. То значи да што је никл више растегнут, то је нижа његова магнетна пермеабилност. Затезна чврстоћа никла такође се смањује. А пермалој је супротно.

Када се узорак пермалоје растегне, облик његове хистерезисне петље приближава се правоугаоном, што значи да се магнетна пермеабилност пермалоје повећава током истезања, а повећава се и заостала индуктивност. Ако се напон промени од затезања до компресије, онда је и предзнак промене магнетних параметара обрнут.

Разлог за испољавање Вилларијевог ефекта феромагнета под деформацијом је следећи. Када механички напон делује на феромагнет, он мења његову доменску структуру, односно границе домена се померају, њихови вектори магнетизације се ротирају. Ово је слично магнетизовању језгра струјом. Ако ови процеси имају исти смер, онда се магнетна пермеабилност повећава, ако је смер процеса супротан, она се смањује.

Виллари ефекат је реверзибилан, отуда и његово име обрнути магнетостриктивни ефекат… Ефекат директне магнетострикције се састоји у деформацији феромагнета под дејством магнетног поља примењеног на њега, што такође доводи до померања граница домена, до ротације вектора магнетних момената, док кристална решетка супстанце мења своје енергетско стање услед промене равнотежних растојања њених чворова, услед померања атома са њихових првобитних места. Кристална решетка је деформисана тако да за неке узорке (гвожђе, никл, кобалт, њихове легуре итд.) издужење достиже 0,01.

Тако, магнетострикција — својство неких феромагнетних метала и легура да се деформишу (скупљају или шире) током магнетизације и, обрнуто, да мењају магнетизацију током механичке деформације.

Овај феномен се користи за имплементацију магнетостриктивних резонатора, где се механичка резонанца јавља под дејством наизменичних магнетних поља. Магнетостриктивни резонатори се могу производити за фреквенције до 100 кХз па и више и на тим фреквенцијама налазе различите примене за стабилизацију фреквенције (слично као код пиезоелектричног кварца) за пријем ултразвука итд.

Са становишта магнетоеластичног ефекта, материјал се може окарактерисати таквим параметром као коефицијент магнетоеластичне осетљивости… Дефинише се као однос промене релативне магнетне пермеабилности супстанце и њеног релативног напрезања или примењеног механичког напрезања. А пошто су релативна промена дужине и механички напон повезани Хоокеов закон, тада су коефицијенти међусобно повезани Јанговим модулом:

Промена магнетне пермеабилности материјала током његове деформације може се конвертовати у електрични сигнал коришћењем индуктивног мерења (индуктивна или међусобна индуктивна конверзија).

Познато је да се индуктивност завојнице на затвореном магнетном колу константног пресека налази по следећој формули:

Ако се сада магнетно коло деформише дејством неке спољне силе, онда ће се променити геометријске димензије и магнетна пермеабилност магнетног кола (језгра завојнице). Дакле, механичка деформација мења индуктивност завојнице. Промена индуктивности се може израчунати коришћењем диференцијације:

Феромагнетни материјали са јако израженим Виллари ефектом омогућавају узимање:

За међусобну индуктивну конверзију мерења, међусобна индуктивност калемова се мења:

Виллари ефекат се користи у савременим магнетоеластичним мерним претварачимакоји вам омогућавају мерење значајних сила и притисака, механичких напона и деформација у различитим објектима.