Системы контроля с применением магнитострикционного эффекта

Магнитострикционный эффект (сокращенно магнитоупругий эффект) наблюдается в изотропных электриках, преимущественно в решетках металлов, обладающих определенной, достаточно высокой симметрией. Макнитострикционным эффектом могут обладать металлы, чьи решетки не имеют центра симметрии, а имеют так называемые полярные направления (домены).

Внешние механические силы, воздействуя в определенных направлениях на магнистрикционный материалл, вызывают в нем не только механические напряжения и деформации (как во всяком твердом теле), но и электрическую поляризацию и, следовательно, появление на его поверхностях связанных электрических зарядов разных знаков. При изменении направления механических сил на противоположное становятся противоположными направление поляризации и знаки зарядов. Это явление называют прямым магнитоупругим эффектом.

Магнитосрикционный эффект обратим. При воздействии на магнитоматериал, электрическо­го поля соответствующего направления в нем возникают механические напря­жения и деформации. При изменении направления электрического поля на противоположное соответственно изменяются на противоположное направления напряжений и деформаций. Это явление получило название обратного магнитоупругого эффекта.

а)	б)	в)	г)

Рис. 2.19. Схематичные изображения прямого (а, б) и обратного (в, г) магнитоупругих эффектов. Стрелками Р и Е изображены внешние воздействия - механическая сила и напряженность электромагнитного поля.

Штриховыми линиями на рисунке 2.19 показаны контуры электрика до внешнего воздействия, сплошными линиями - контуры деформации электрика (для наглядности во много раз увеличены); Р - вектор поляризации.

В некоторых литературных источниках для обратного магнитоэффекта неуместно используют термин электрострикция, относящийся к сходному, но другому физическому явлению, характерному для всех диэлектриков, деформации их под действием электрического поля. Электрострикция - четный эффект, означающий, что деформация не зависит от направления электрического поля, а ее величина пропорциональна квадрату напряженности электрического поля. Порядок деформаций при электрострикции намного меньше, чем при магнитоэффекте (примерно на два порядка). Электрострикция всегда возникает и при магнитоэффекте, но вследствие малости в расчет не принимается. Электрострикция - эффект необратимый.

Прямой и обратный магнитоэффекты линейны и описываются линейными зависимостями, связывающими электрическую поляризацию Р с механическим напряжением t:

. (2.31)

Данную зависимость называют уравнением прямого магнитоэффекта. Коэффициент пропорциональности d называется магнитооэлектрическим модулем (модулем магнитострикции), и он служит мерой магнитоэффекта. Обратный магнитоэффект описывается зависимостью: ,где r - деформация; Е - напряженность электромагнитного поля. магнитомодуль d для прямого и обратного эффектов имеет одно и то же значение.

Приведенные выражения даны в элементарной форме только для уяснения качественной стороны магнитоэлектрических явлений. В действительности магнитоэлектрические явления в кристаллах более сложны, что обусловлено анизотропией их упругих и электрических свойств. Магнитооэффект зависит не только от величины механического или электрического воздействия, но и их характера и направления сил относительно кристаллофических осей кристалла. Магнитооэффект может возникать в результате действия как нормальных, так и касательных напряжений. Существуют направления, для которых магнитоэффект равен нулю. Магнитоэффект описывается несколькими магнитомодулями, число которых зависит от симметрии кристалла. Направления поляризации может совпадать с направлением механического напряжения или составлять с ним некоторый угол. При совпадении направлений поляризации и механического напряжения магнитоэффект называют продольным, а при их взаимно перпендикулярном расположении - поперечным. За направление касательных напряжений принимают нормаль к плоскости, в которой действуют напряжения.

а)	б)
Рис. 2.20. Схематичные изображения, поясняющие продольный (а) и поперечный (б) магнитоэффекты

Деформации магнитоэлектрика, возникающие вследствие магнитоэффекта, весьма незначительны по абсолютной величине. Незначительность величин деформаций магнитоэлектриков объясняется их высокой жесткостью.