Villarijev učinek, magnetoelastični učinek — obratni pojav magnetostrikcije
Villarijev učinek poimenovana po italijanskem fiziku Emilio Villariki je ta pojav odkril leta 1865. Pojav se imenuje tudi magnetoelastični učinek… Njegovo fizikalno bistvo je v spreminjanju magnetne prepustnosti in s tem povezanih magnetnih lastnosti feromagnetov med mehansko deformacijo vzorcev iz teh feromagnetov. Delo temelji na tem principu magnetno-elastični merilni pretvorniki.
Na primer, poglej histereznih zank permaloida in niklja v delovnih pogojih na mehansko obremenjenih vzorcih iz teh materialov. Torej, ko se vzorec niklja raztegne, ko se natezna napetost poveča, se histerezna zanka nagne. To pomeni, da bolj kot je nikelj raztegnjen, manjša je njegova magnetna prepustnost. Zmanjša se tudi natezna trdnost niklja. In permaloy je nasprotje.
Pri raztezanju vzorca permaloja se oblika njegove histerezne zanke približa pravokotni, kar pomeni, da se med raztezanjem poveča magnetna prepustnost permaloja, poveča pa se tudi preostala induktivnost. Če se napetost spremeni iz napetosti v stiskanje, se obrne tudi predznak spremembe magnetnih parametrov.
Razlog za manifestacijo Villarijevega učinka feromagnetov pri deformaciji je naslednji. Ko mehanska napetost deluje na feromagnet, spremeni svojo domensko strukturo, to je, da se meje domen premaknejo, njihovi vektorji magnetizacije se vrtijo. To je podobno magnetiziranju jedra s tokom. Če imajo ti procesi isto smer, se magnetna prepustnost poveča, če je smer procesov nasprotna, se zmanjša.
Villarijev učinek je reverzibilen, od tod tudi njegovo ime povratni magnetostrikcijski učinek… Učinek direktne magnetostrikcije je deformacija feromagneta pod delovanjem magnetnega polja, ki se nanj nanaša, kar vodi tudi do premika domenskih meja, do rotacije vektorjev magnetnih momentov, medtem ko kristalna mreža snovi spremeni svoje energijsko stanje zaradi spremembe ravnotežnih razdalj njenih vozlišč, zaradi premika atomov z njihovih prvotnih mest. Kristalna mreža je deformirana tako, da pri nekaterih vzorcih (železo, nikelj, kobalt, njihove zlitine itd.) Raztezek doseže 0,01.
Torej, magnetostrikcijska lastnost nekaterih feromagnetnih kovin in zlitin, da se deformirajo (krčijo ali raztezajo) med magnetiziranjem in, nasprotno, spreminjajo magnetizacijo med mehansko deformacijo.
Ta pojav se uporablja za izvedbo magnetostrikcijskih resonatorjev, kjer se pod delovanjem izmeničnih magnetnih polj pojavi mehanska resonanca. Magnetostrikcijske resonatorje je mogoče izdelati za frekvence do 100 kHz in celo višje, pri teh frekvencah pa najdejo različne aplikacije za stabilizacijo frekvence (podobno kot pri piezoelektričnem kvarcu) za sprejem ultrazvoka itd.
Z vidika magnetoelastičnega učinka lahko material označimo s takim parametrom, kot je koeficient magnetoelastične občutljivosti… Opredeljena je kot razmerje med spremembo relativne magnetne prepustnosti snovi in njeno relativno deformacijo ali uporabljeno mehansko obremenitvijo. In ker sta relativna sprememba dolžine in mehanska obremenitev povezani Hookov zakon, potem sta koeficienta med seboj povezana z Youngovim modulom:
Spremembo magnetne prepustnosti materiala med njegovo deformacijo lahko pretvorimo v električni signal z uporabo induktivnega merjenja (induktivna ali medsebojna induktivna pretvorba).
Znano je, da se induktivnost tuljave na zaprtem magnetnem krogu s konstantnim prerezom določi po naslednji formuli:
Če se zdaj magnetno vezje deformira zaradi delovanja neke zunanje sile, se spremenijo geometrijske dimenzije in magnetna prepustnost magnetnega vezja (jedra tuljave). Tako mehanska deformacija spremeni induktivnost tuljave. Spremembo induktivnosti je mogoče izračunati z diferenciacijo:
Feromagnetni materiali z zelo izrazitim Villarijevim učinkom omogočajo:
Za medsebojno induktivno pretvorbo meritev se medsebojna induktivnost tuljav spremeni:
Villarijev učinek se uporablja v sodobnih magnetoelastičnih merilnih pretvornikihki vam omogočajo merjenje pomembnih sil in pritiskov, mehanskih napetosti in deformacij v različnih predmetih.