磁弹耦合效应

磁弹耦合效应孔祥聪唐亚兵葛晓婧磁弹耦合效应•定义：磁弹耦合效应是反应磁性材料磁学性质（μ）和力学性质（σ/S）相互关系的一种现象。包括磁致伸缩效应和逆磁致伸缩效应（也称压磁效应、磁弹效应）。磁致伸缩效应•定义：磁致伸缩，就是物体在受到外磁场作用时,沿磁力线方向会产生伸缩相对变形。磁致伸缩的大小以相对伸缩值λ=Δl/l表示。“λ”即磁致伸缩系数。•一切铁磁材料都具有磁致伸缩效应，不同材料的磁致伸缩效应不同，有些材料在外磁场作用下伸长，具有正的磁致伸缩系数；还有些材料在磁场作用下缩短，具有负的磁致伸缩系数。•根据铁磁材料在磁场中的几何尺寸变化的形式不同，磁致伸缩效应可分为纵向效应、横向效应、扭转效应和体积效应。磁致伸缩效应的本质原理•小磁畴的旋转被认为是磁致伸缩效应改变长度的原因。磁畴旋转以及重新定位导致了材料结构的内部应变。结构内的应变导致了材料沿磁场方向的伸展（由于正向磁致伸缩效应）。在此伸展过程中，总体积基本保持不变，材料横截面积减小。总体积的改变很小，在正常运行条件下可以被忽略。增强磁场可以使越来越多的磁畴在磁场方向更为强烈和准确的重新定位。所有磁畴都沿磁场方向排列整齐即达到饱和状态。右图为长度随磁场强度变化的理想化。•磁畴旋转的示意图如右图。在外磁场作用下，小磁畴受力改变其取向，随着磁场的增大，越来越多的磁畴取向发生改变并趋于一致，且其取向偏离原取向的角度也逐渐增大。•按照所加外磁场的大小逐一来看。在0和1区间之间，提供的磁场很小，磁畴几乎不体现其定位模式。在1-2区间，我们设想，应变与磁场之间存在几乎趋于线性的关系。因为关系简单，容易预测材料的性能，所以，大部分设备被设计工作于这个区间。曲线超过点2后，应变与磁场关系又变为非线性，这是由于大部分磁畴已经按照磁场的方向排列整齐。在点3，出现饱和现象，阻止了应变的进一步增加。磁致伸缩效应特点（1）磁致伸缩所引起的相对变形量很小，约在10-6数量级。（2）磁致伸缩应变与材料的性质、加工方法和预先磁化的程度有关。不同的铁磁材料在相同的磁场强度H的作用下，所产生的伸长或缩短的大小是不相同的。（3）磁致伸缩材料具有磁致伸缩饱和现象，即当外加磁场强度由小逐渐加大时，应变开始随之增加，但当磁场增至一定程度以后，应变就不再增加了，称此时的最大磁致伸缩应变为饱和磁致伸缩应变。（4）磁致伸缩形变与温度有密切关系，当温度升高时，由于铁磁材料晶格的变化，磁化强度会发生变化。有些材料的磁致伸缩随温度呈直线下降，有的先升高后下降，有的下降到零后又升高再下降。不管是哪种变化情况，它们都存在一个QT的温度，一旦到达这一温度，自发磁化不再存在，铁磁体变为顺磁体，称为材料的居里点。要利用磁致伸缩材料的磁致伸缩效应，必须让它处于远低于居里点的温度环境内。（5）磁致伸缩材料的磁致伸缩应变与磁场的方向无关，即当磁场的方向改变而数值不变时，所产生的应变的大小和符号不变，说明应变S是磁场强度H的偶函数，即S=Δl/l=Ψ(H2)或S=Ψ(B2)。实验证明，在棒自由情况下，S=K(B)B2式中K(B)为比例系数，它是磁感应强度B的函数。（6）铁磁材料在外磁场作用下能产生磁致伸缩应变，由此产生的机械应力，称为磁致伸缩应力Tm，它可表示为Tm=YΔl/l=YK(B)B2式中Y为杨氏模量。在极化时,可认为Tm=α(B0)B，α(B0)称为磁致伸缩应力常数，是B0的函数。磁致伸缩材料磁致伸缩材料在外磁场的作用下，其长度或体积发生形变，主要长度的形变，因而发生位移而做功，或在交变磁场中，反复伸长或缩短，从而引起振动或声波，这种材料可将电磁能(或电磁信息)转换成机械能或声能(或机械位移信息或声信息)，是重要的能量和信息转换材料。因此，具有较大磁致伸缩系数（一般λs≥40*10-6)的材料称为磁致伸缩材料。选用磁致伸缩材料的要求是：饱和磁致伸缩应变λs要大，磁致伸缩应变对磁场的变化率（dλ/dH）max要大，即要求在低磁场下有很高的λ值，电磁能与机械能的相互转换效率要高。自发现物质的磁致伸缩效应后，人们研究和发展了一系列磁致伸缩材料，主要有3大类：（1）磁致伸缩的金属与合金，如镍（Ni)基合金（Ni,Ni-Co合金，Ni-Co-Cr合金）和铁基合金（如Fe-Ni合金，Fe-Al合金，Fe-Co-V合金等）；（2）铁氧体磁致伸缩材料，如Ni-Co和Ni-Co-Cu铁氧体材料等。前两种称为传统磁致伸缩材料，其λ值较小，在20~80ppm之间；（3）近期发展了稀土金属间化合物磁致伸缩材料，称为稀土超磁致伸缩材料。它以（Tb(铽),Dy(镝))Fe2化合物为基体的合金，如Tb0.3Dy0.7Fe1.95材料（Tb-Dy-Fe材料）的λ达到(1500~2000)ppm,比磁致伸缩的金属与合金和铁氧体磁致伸缩材料的λ大1~2个数量级，称为稀土超磁致伸缩材料。磁致伸缩效应的应用•磁致伸缩材料可以制成功率电-声换能器、电-机换能器、驱动器、传感器和电子器件等,广泛应用于海洋、地质、航空航天、运输、加工制造、医学、计算机、机器人、仪器、电子及民品等技术领域。•磁致伸缩马达1988年柏林大学的L.Kiesewetter教授研制出世界上第一台超磁致伸缩马达。当移动线圈通入电流且位置发生变化时，超磁致伸缩棒运动部分分别在纵向和径向方向上产生磁致伸缩应变，使超磁致伸缩棒交替伸缩，像虫子一样蠕动前进。它的最大速度可达20mm/s并具有驱动重载无反冲的优点。磁致弹性效应（逆磁致伸缩效应）定义：磁致弹性效应（简称磁弹效应）是铁磁性材料在机械应力（应变）的作用下，材料磁性随着改变的现象。磁弹效应与磁致伸缩效应相反，因此也被称为逆磁致伸缩效应，有时也称压磁效应。又由于该效应是Villari于1865年发现的，因此也称为Villari效应。磁弹效应的产生是因为磁性材料内磁畴结构与其应力状态有密切关系。在应力作用下，材料内的畴壁将改变其位置。压磁效应原理磁材料被磁化时,如果受到限制而不能伸缩,内部会产生应力。同样在外部施加力也会产生应力。当铁磁材料因磁化而引起伸缩(不管何种原因)产生应力σ时,其内部必然存在磁弹性能量E0,分析表明,E0与λm・σ之积成正比,其中λm为磁致伸缩系数。并且还与磁化方向与应力方向之间的夹角有关。由于E0的存在,将使磁化方向改变,对于正磁致伸缩材料,如果存在拉应力,将使磁化方向转向拉应力方向,加强拉应力方向的磁化,从而使拉应力方向的磁导率μ增大。压应力将使磁化方向转向垂直于应力的方向,削弱压应力方向的磁化,从而使压应力方向的磁导率减小。对于负磁致伸缩材料,情况正好相反。这种被磁化的铁磁材料在应力影响下形成磁弹性能,使磁化强度矢量重新取向,从而改变应力方向的磁导率的现象称为磁弹效应或压磁效应。铁磁材料的相对磁导率变化与应力σ之间的关系为：Δμ/μ=(2λm/Bm2)σμ压磁效应的性质及应用性质：磁性材料的应力状态与其内部的磁畴结构有着密切关系，而磁畴结构的变化将直接导致材料磁场性能的变化，利用磁弹效应可以通过测量磁性材料的磁场性能变化测得结构的应力状态变化，从而将测应力的问题转化为测磁场性质的问题。应用：通过磁弹效应，可以将工程中复杂的应力测量问题转化为研究电磁学的问题，具有较大的工程实际意义，如建筑、土木工程、航空航天领域。压磁式传感器在压磁材料的中间部分开有四个对称的小孔1、2、3和4，在孔1、2间绕有激励绕组N12，孔3、4间绕有输出绕组N34。当激励绕组中通过交流电流时，铁心中就会产生磁场。若把孔间空间分成A、B、C、D四个区域，在无外力作用的情况下，A、B、C、D四个区域的磁导率是相同的。这时合成磁场强度H平行与输出绕组的平面，磁力线不与输出绕组交链，N34不产生感应电动势，如图所示。在压力F作用下，如图c所示，A、B区域将受到一定的应力，而C、D区域基本处于自由状态，于是A、B区域的磁导率下降、磁阻增大，C、D区域的磁导率基本不变。这样激励绕组所产生的磁力线将重新分布，部分磁力线绕过C、D区域闭合，于是合成磁场H不再与N34平面平行，一部分磁力线与N34交链而产生感应电动势e。F值越大，与N34交链的磁通越多，e值越大。