Эффект Вилла́ри или магнитоупругий эффект — явление обратное магнитострикции, заключающееся в изменении намагниченности магнетика под действием упругих напряжений. Назван по имени открывшего его в 1868 году итальянского физика Эмилио Виллари.

Описание Эффект Виллари является обратным явлению магнитострикции. В веществах с отрицательным коэффициентом магнитострикции, при , например, в никеле, растягивающие напряжения приводят к уменьшению намагниченности, а в веществах с положительной магнитострикцией, при , например, в сплаве Fe-65Ni — к росту намагниченности при всех значениях напряженности магнитного поля. В железе напряжения на начальном участке кривой намагничивания приводят к росту намагниченности, а после достижения некоторого значения напряженности магнитного поля - к уменьшению. Напряженность магнитного поля, при которой происходит такое изменение намагниченности, называется точкой Виллари.

Способ, которым материал реагирует на напряжения, зависит от величины, называемой магнитострикцией насыщения или магнитострикционной постоянной:

.

Качественное объяснение магнитоупругого эффекта Качественно связь эффекта Виллари с величиной и знаком магнитострикции ферромагнетика при одноосном напряжении определяется соотношением:

,

где — коэффициент магнитострикции, — напряженность магнитного поля, — намагниченность, σ — напряжение. Таким образом, если произведение имеет положительный знак, намагниченность нарастает при росте напряжений, если же произведение отрицательно — намагниченность снижается при росте напряжений. Этот эффект был подтвержден экспериментально.

В таблице ниже показано поведение ферромагнетиков с различной магнитострикцией при их упругой деформации. +Знак магнитострикции, удлинение, Изменение намагниченностиОписание эффекта - отрицательный эффект Виллари + положительный эффект Виллари+

Количественное выражение магнитоупругого эффекта При одноосном напряжении , действующем на одиночный магнитный домен, плотность энергии магнитоупругого эффекта выражается следующим образом:

где — магнитострикция насыщения, а — угол между направлением намагниченности при насыщении и направлением действия напряжений. Когда и положительны (как в железе при растяжении), энергия минимальна при = 0, то есть когда направление действия напряжений совпадает с направлением намагниченности. Таким образом, намагниченность увеличивается при появлении растягивающих напряжений.

Магнитоупругий эффект в кристаллах Магнитострикция и магнитоупругий эффект зависят от направления осей кристалла. В железе направления (ребро куба) являются направлениями лёгкого намагничивания, в то время как в направлении (пространственная диагональ куба) намагниченность невелика, пока не становится близкой к намагниченности насыщения, что приводит к изменению ориентации домена с на . Такая магнитная анизотропия вынуждает использовать два независимых коэффициента магнитострикции и .

В металлах с кубической решеткой магнитострикция (и магнитоупругость) вдоль любой оси может быть определена линейной комбинацией этих двух констант. Например, магнитострикция в направлении является линейной комбинацией и .

Исходя из предположения изотропности магнитострикции (т.е. доменов одинакова в любых кристаллографических направлениях), то и линейная зависимость между упругой энергией и напряжением сохраняется, . Здесь , и — направляющие косинусы намагниченности домена, а , , — направляющие косинусы связей — к кристаллографическим направлениям.

Методы измерения магнитоупругих свойств Методы измерения магнитоупругого эффекта в магнитных материалах должны соответствовать следующим требованиям:

магнитная цепь испытываемого образца должна быть замкнутой. Разомкнутая магнитная цепь вызывает размагничивание, что снижает магнитоупругий эффект и затрудняет его анализ. распределение напряжений должно быть однородным, а величина и направление напряжений должны быть известны. на образце должна быть возможность размещения намагничивающей и измерительной обмоток, необходимых для измерения петли магнитного гистерезиса при механической нагрузке.

Применяются следующие методы испытаний:

приложение растягивающей нагрузки к образцу магнитного материала в форме ленты, недостатком такой схемы является разомкнутость магнитной цепи образца; приложение растягивающей или сжимающей нагрузки к образцу в форме рамки; недостатком такой схемы является то, что возможно испытывать только объёмные материалы (не ленты и не проволоку), а в части рамки в местах соединений напряжения отсутствуют; приложение сжимающей нагрузки к кольцевому образцу в диаметральном направлении приводит к неоднородному распределению напряжений в сердечнике; приложение растягивающей или сжимающей нагрузки к кольцевому образцу в направлении оси создает напряжения, которые перпендикулярны магнитному полю.

Применение Наиболее широко эффект Виллари применяется для измерения с помощью магнитоупругих датчиков (преобразователей) сжимающих и растягивающих напряжений, а также крутящего моментаОписание к авторскому свидетельству на изобретение СССР №603858.Реферат, описание, рисунки .

По сравнению с тензометрическими датчиками, обычно используемыми для измерения сил, магнитоупругие датчики отличается повышенными надежностью и уровнем выходного сигнала, а также использованием более простой измерительной схемы. Они нашли применение в тех областях техники, где предъявляются повышенные требования к надежности в связи с эксплуатацией в тяжелых условиях. Недостатком датчиков с использованием магнитоупругого эффекта является сильная нелинейность характеристики преобразования силы в напряжение, что обуславливает соответствующую большую систематическую ошибку измерения. Этот недостаток устраняется путем использования специальных измерительных схем, корректирующих ошибки измерения, а также выбором диапазона с линейной характеристикой.

Некоторые сферы применения таких датчиков:

в металлургическом производстве для взвешивания шихты перед загрузкой в плавильную печь; на морских плавучих подъемных кранах в качестве датчика системы ограничения грузоподъемности; в строительстве; контроль зажигания в цилиндрах дизельных двигателей тепловозов;

крутящий момент на приводе шаровых кранов; для биомедицинского мониторинга.

Обратный магнитоупругий эффект следует также может проявляться как побочный эффект случайного или преднамеренного приложения механических напряжений к магнитному сердечнику индуктивного компонента, например, феррозонду или статору генераторов/двигателей при установке с натягом.

Эффект Виллари может применяться для проведения тонких физических экспериментов. В частности, можно найти зависимость изменения температуры магнитного материала от магнитострикции насыщения .

См. также Пьезоэлектрический эффект Электрострикция

Примечания

Литература

Ссылки B. Kundys, Yu. Bukhantsev, H. Szymczak, M. R. J. Gibbs, R. Zuberek. Temperature dependence of saturation magnetostriction measured for amorphous films by a bending method based on the Villari effect R. Szewczyk, A. Bienkowski, R. Kolano. Influence of nanocrystalization on magnetoelastic Villari effect in alloy

Категория:Магнетизм Категория:Электродинамика сплошных сред Категория:Физические эффекты и явления Категория:Датчики Категория:Преобразователи Категория:Магнитомеханические эффекты