Как работает магнитострикция и почему металл меняет размер в магнитном поле

Магнитное поле обычно представляют как невидимую силу, которая притягивает железо или поворачивает стрелку компаса. Но у некоторых материалов оно вызывает ещё один эффект: образец немного меняет размеры. Такое явление называют магнитострикцией. Изменения очень малы, однако их достаточно, чтобы создавать точные колебания, измерять механические воздействия и даже объяснять часть шума электротехнических устройств.

Почему металл вообще способен менять форму

В ферромагнитных материалах существуют области, в которых магнитные моменты атомов ориентированы согласованно. Их называют магнитными доменами. Без внешнего поля разные домены могут быть направлены по-разному, поэтому общий магнитный эффект частично компенсируется.

Когда появляется магнитное поле, структура доменов перестраивается: одни области увеличиваются, другие уменьшаются, а направления магнитных моментов поворачиваются. Такое изменение магнитного состояния связано с кристаллической решёткой. В результате расстояния и ориентация атомов немного меняются, и образец становится чуть длиннее, короче или изменяет форму в другом направлении.

Речь идёт о очень небольшой относительной деформации. Металлический стержень не растягивается на сантиметры и внешне может казаться совершенно неподвижным. Эффект обнаруживают точными измерениями или усиливают подходящей конструкцией.

Почему переменное поле создаёт звук

Если магнитное поле постоянно меняется, материал многократно деформируется и возвращается обратно. Получается механическая вибрация. Когда её частота попадает в слышимый диапазон и передаётся корпусу или воздуху, человек воспринимает её как гул или тон.

Магнитострикция — одна из причин характерного шума некоторых трансформаторов. Переменный ток создаёт изменяющееся магнитное поле в сердечнике, а сердечник испытывает микроскопические деформации. Пластины, крепления и корпус передают эти колебания наружу.

• внешнее поле меняет магнитное состояние материала;
• кристаллическая решётка слегка деформируется;
• переменное поле повторяет деформацию много раз в секунду;
• колебания могут перейти на соседние детали;
• механическая конструкция способна усилить слышимый звук.

При этом не любой гул электрического устройства объясняется только магнитострикцией. Вибрации могут возникать и из-за электромагнитных сил между деталями, работы охлаждения или механических дефектов.

Эффект может работать в обратную сторону

Связь магнитного состояния и деформации двусторонняя. Если подходящий ферромагнитный материал растянуть, сжать или согнуть, его магнитные свойства немного изменятся. Это называют обратным магнитострикционным эффектом, или эффектом Виллари.

Благодаря этому механическую нагрузку можно преобразовать в изменение магнитного сигнала. На таком принципе создают некоторые датчики силы, положения и крутящего момента. Электроника регистрирует изменение магнитного состояния, не обязательно требуя непосредственного электрического контакта с движущейся частью.

Однако результат зависит от состава материала, направления поля, предварительного намагничивания, температуры и механического напряжения. Поэтому точный датчик требует калибровки, а простое приближение магнита к любому куску стали не превращает его в измерительный прибор.

Какие материалы дают заметную магнитострикцию

Эффект встречается у железа, никеля, кобальта и различных сплавов, но величина и даже направление изменения размеров у них различаются. Для технических задач разработаны материалы с гораздо более выраженной магнитострикцией, чем у обычной конструкционной стали.

Один из известных классов основан на соединениях редкоземельных элементов с железом. Такие материалы способны создавать сравнительно значительную деформацию и усилие, поэтому подходят для исполнительных устройств. Есть и специальные сплавы, рассчитанные на чувствительное преобразование механического воздействия в магнитный сигнал.

Выбор материала всегда связан с компромиссами. Важны не только величина деформации, но и механическая прочность, потери, рабочая температура, гистерезис, стоимость и способность выдерживать множество циклов.

Где магнитострикция приносит пользу

Если заставить магнитострикционный элемент колебаться, он может работать как преобразователь. Такой принцип применяли и применяют в некоторых источниках ультразвука, гидроакустических системах и специальных приводах. Поле управляет деформацией без обычной механической передачи внутри активного материала.

Обратный эффект удобен для сенсоров. Изменение нагрузки можно обнаруживать через изменение магнитных характеристик элемента. В инженерных системах это позволяет измерять усилия или перемещения там, где обычный контактный датчик неудобен.

Магнитострикция важна и тогда, когда её вовсе не хотят использовать. При проектировании трансформаторов и других магнитных устройств инженеры стараются уменьшать вибрации сердечника, выбирать подходящие материалы и конструкцию, чтобы снизить шум.

Таким образом, магнитное поле способно не только двигать отдельный магнит как целое. Оно взаимодействует с внутренней магнитной структурой вещества, а та связана с кристаллической решёткой. Из этой связи возникает микроскопическая деформация, которая в одном устройстве становится полезным движением, а в другом — слышимым гулом.