Магнитострикционные материалы. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Магнитострикционные материалы - ферромагнитные металлы и сплавы (см. Ферромагнетик)и ферримагнитные ферриты ,обладающие хорошо выраженными магнитострикц. свойствами (см. Магнитострикция); применяются для изготовления магнито-стрикиионных преобразователей. Существуют металлич. и ферритовые M. м.

Свойства M. м. Связанные с преобразованием энергии свойства M. м. характеризуются коэф. магнитоме-ханич. связи К, магнитострикц. постоянной а и постоянной чувствительности А. Величина К равна отношению преобразованной энергии (механической или магнитной) к подводимой (соответственно магнитной или механической) без учёта потерь;

определяет чувствительность электроакустич. преобразователя в режиме излучения, а

- его чувствительность в режиме приёма. Относит, магн. проницаемость

характеризует электрич. импеданс преобразователя в отсутствие механич. колебаний, к-рый необходимо учитывать при согласовании преобразователя с электрич. схемой (

- соответственно амплитуды механич. напряжения, магн. индукции, магн. поля). Величины a, L, К связаны соотношениями, в к-рые входят магн. проницаемость m (в общем случае комплексная) и константа упругой податливости. Ди-намич. постоянные упругости - модуль Юнга и модуль сдвига - в комбинации с плотностью материала определяют скорость продольных p сдвиговых волн и соответственно резонансные частоты сердечников заданных размеров при заданной форме колебаний.

Эффективность преобразования, или кпд, определяется наряду с коэф. К магн. и механич. потерями. Магн. потери в M. м. обусловлены вихревыми токами, зависящими от уд. электрич. сопротивления р, и гистерезисом магнитным, косвенно определяемым величиной коэрцитивной силы Н_с. Характеризуются магн. потери величиной tgb, представляющей отношение мнимой и действит. части m. Механич. потери зависят от добротности материала Q.

Динамич. характеристики M. м. сильно зависят от величины пост, поля нодмагничивания H₀ (рис.). В таблице приведены динамич. характеристики основных M. м., отвечающие малым амплитудам

Зависимость К, a, m от поля подмагничивания H₀ для никеля (пунктир) и пермендю-ра (сплошная линия) при малой амплитуде переменного поля.

Температурная стабильность свойств M. м., особенно важная при использовании их в фильтрах, стабилизаторах частоты и др., тем больше, чем выше темп-pa Кюри T₀. Для магнитострикц. излучателей звука большое значение имеют величина магнитострикции насыщения l _s, к-рая определяет их предельную мощность в условиях значит, нагрузки, и динамич. усталостная прочность s_пр, ограничивающая предельную амплитуду колебаний слабо нагруженных преобразователей. Величина l _s, а также крутизна статич. кривой зависимости магнитострикции от магн. поля являются определяющими параметрами M. м. при их использовании в оптико-механич. системах, создающих управляемые статич. или НЧ-перемещения.

Из металлических M. м. наиб, употребительны никель и сплавы на его основе, а также железокобальтовые и железоалюминиевые сплавы. Их используют в поликристаллич. форме и изготавливают по обычной металлу ргич. технологии, прокатывая в виде полос толщиной 0,1-0,3 мм для уменьшения потерь на вихревые токи. В сплавах на основе никеля, напр, введением добавок кобальта, компенсируют магнитокристаллографич. анизотропию и соответственно повышают динамич. характеристики К, a, m, а также снижают потери на гистерезис, добавки же кремния или хрома повышают r и соответственно уменьшают потери на вихревые токи. Созданием кристаллич. ориентации в никеле и его сплавах (т. н. кристаллографич. текстуры) достигается увеличение l _s на 20-30%. Железо-кобальтовый сплав - пермендюр - обладает большей l _s и более высокими магн. и магнитострикц. константами, чем никель, благодаря чему он применяется в мощных излучателях звука. Однако этот сплав легко корродирует, отличается невысокой временной и технол. стабильностью свойств, непластичен и поэтому неудобен в обработке. Железоалюминиевые сплавы обладают достаточно высокими магнитострикц. характеристиками и электросопротивлением; их недостаток - низкая коррозионная стойкость, повыш. хрупкость, затрудняющая их механич. обработку. Электромеханич. и электроакустич. преобразователи из металлич. M. м. применяют на частотах до 20-40 кГц, практически без ограничения прочности.

Редкоземельные M. м. Особую группу металлич. M. м. составляют материалы на основе соединений редкоземельных элементов [тербия (Tb), диспрозия (Dy)] с железом. Магнитострикция их очень велика - до 10^-3-10^-2, однако она достигается в магн. полях, составляющих десятки и сотни кА/м. Введение компонентов, компенсирующих кристаллография, анизотропию, и создание текстуры позволяют увеличить крутизну магнитострикц. кривой и соответственно повысить динамич. характеристики материалов этого типа: у лучших составов величина К достигает 0,80 при H₀ @ 10 кА/м. Получают образцы сплавов на основе редкоземельных элементов методом вытягивания из расплава или методами порошковой металлургии.

Ферритовые M. м. К ним относятся ферриты со структурой шпинели - феррит никеля и твердые растворы на его основе (включающие ферриты кобальта, цинка, меди и др. добавки) - и со структурой граната - в основном феррит-гранат иттрия (ИФГ). Ферриты-шпинели употребляют в виде поликристаллич. керамики, к-рая изготавливается из окислов (реже солей) металлов по керамич. технологии, в форме монолитных сердечников; ферриты-гранаты выращивают из расплава в виде монокристаллов.

Ферритовые M. м. практически не обладают потерями на вихревые токи и соответственно могут использоваться до весьма высоких частот. Для электроакустич. преобразователей применяют ферриты-шпинели на основе феррита никеля, к-рые обладают достаточно хорошими константами преобразования, высокой меха-нич. добротностью, коррозионной стойкостью. Однако относительно малая механич. прочность и низкие значения l_s этих M. м. ограничивают предельную амплитуду излучателей звука из ферритов. Для использования в электромеханич. фильтрах, резонаторах путём модификации хим. состава созданы образцы керамич. ферритов с добротностью св. 5000 и весьма малыми температурными коэф. резонансной частоты сердечников. Они применяются на частотах от 10⁴ до 10⁶ Гц. В диапазоне 10⁷-10⁹ Гц для устройств акустоэлектро-ники используются монокристаллич. ферриты-гранаты на основе редкоземельных элементов, обладающие малыми магн. потерями и высокой механич. добротностью. Наиб, распространение среди них получил феррит-гранат иттрия, у к-рого Q ~ 10⁷ на частоте 10 МГц, tgb ~ 0,03 на частоте 20 МГц, а Т_с = 640 ⁰C. Кристаллы ИФГ используются для линий задержки, в т. ч. с усилением сигналов на основе использования нелинейных эффектов и с взаимодействием акустич. и спиновых волн (см. Магнитоупругие волны).

Литература по магнитострикционным материалам

Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.