Magnetoestricción

Magnetoestricción (cf. electroestricción) es una propiedad de los materiales magnéticos que hace que cambien de forma o dimensiones durante el proceso de magnetización. La variación de materiales' la magnetización debida al campo magnético aplicado cambia la tensión magnetoestrictiva hasta alcanzar su valor de saturación, λ. El efecto fue identificado por primera vez en 1842 por James Joule al observar una muestra de hierro.

Este efecto provoca la pérdida de energía debido al calentamiento por fricción en los núcleos ferromagnéticos susceptibles. El efecto también es responsable del zumbido de tono bajo que se puede escuchar proveniente de los transformadores, donde las corrientes de CA oscilantes producen un campo magnético cambiante.

Explicación

Internamente, los materiales ferromagnéticos tienen una estructura que se divide en dominios, cada uno de los cuales es una región de magnetización uniforme. Cuando se aplica un campo magnético, los límites entre los dominios se desplazan y los dominios rotan; ambos efectos provocan un cambio en las dimensiones del material. La razón por la que un cambio en los dominios magnéticos de un material da como resultado un cambio en las dimensiones del material es consecuencia de la anisotropía magnetocristalina; se necesita más energía para magnetizar un material cristalino en una dirección que en otra. Si se aplica un campo magnético al material en ángulo con respecto a un eje fácil de magnetización, el material tenderá a reorganizar su estructura de modo que un eje fácil se alinee con el campo para minimizar la energía libre del sistema. Dado que las diferentes direcciones del cristal están asociadas con diferentes longitudes, este efecto induce una tensión en el material.

El efecto recíproco, el cambio de la susceptibilidad magnética (respuesta a un campo aplicado) de un material cuando se somete a una tensión mecánica, se denomina efecto Villari. Otros dos efectos están relacionados con la magnetoestricción: el efecto Matteucci es la creación de una anisotropía helicoidal de la susceptibilidad de un material magnetoestrictivo cuando se somete a un par y el efecto Wiedemann es la torsión de estos materiales cuando se les aplica un campo magnético helicoidal.

La inversión de Villari es el cambio de signo de la magnetoestricción del hierro de positivo a negativo cuando se expone a campos magnéticos de aproximadamente 40 kA/m.

Al magnetizarse, un material magnético sufre cambios de volumen que son pequeños: del orden de 10⁻⁶.

Lazo de histéresis magnetoestrictiva

Magnetostrictive hysteresis loop of Mn-Zn ferrite for power applications measure by semiconductor strain gauges

Al igual que la densidad de flujo, la magnetoestricción también presenta histéresis frente a la fuerza del campo magnético. La forma de este ciclo de histéresis (llamado "bucle de libélula") se puede reproducir utilizando el modelo de Jiles-Atherton.

Materiales magnetoestrictivos

Corte de un transductor que comprende: material magnetostrictivo (dentro), bobina magnetizadora y cierre magnético que completa el circuito magnético (fuera)

Los materiales magnéticos pueden convertir la energía magnética en energía cinética, o la inversa, y se utilizan para construir actuadores y sensores. La propiedad puede ser cuantificada por el coeficiente magnetostrictivo, λ, que puede ser positivo o negativo y se define como el cambio fraccional de longitud a medida que la magnetización del material aumenta de cero al valor de saturación. El efecto es responsable del conocido "humo eléctrico" (Escucha.(help·info)) que se puede escuchar cerca de transformadores y dispositivos eléctricos de alta potencia.

El cobalto exhibe la mayor magnetoestricción a temperatura ambiente de un elemento puro a 60 microdeformaciones. Entre las aleaciones, la magnetoestricción más alta conocida la exhibe Terfenol-D (Ter para terbio, Fe para hierro, NOL para Naval Ordnance Laboratory y D para disprosio). Terfenol-D, Tb_xDy_1−xFe₂, muestra unas 2000 microdeformaciones en un campo de 160 kA/m (2 kOe) a temperatura ambiente y es el material magnetoestrictivo de ingeniería más utilizado. Galfenol, Fe_xGa_{1 −x}, y Alfer, Fe_xAl_1−x, son aleaciones más nuevas que exhiben 200-400 microdeformaciones en campos aplicados más bajos (~200 Oe) y tienen propiedades mecánicas mejoradas del frágil Terfenol-D. Ambas aleaciones tienen <100> ejes fáciles para la magnetoestricción y demuestran suficiente ductilidad para aplicaciones de sensores y actuadores.

Schematic of a whisker flow sensor developed using thin-sheet magnetostrictive alloys.

Otro compuesto magnetoestrictivo muy común es la aleación amorfa Fe₈₁Si_3.5B_13.5C₂ con su comercio nombre Metglas 2605SC. Las propiedades favorables de este material son su alta constante de magnetoestricción de saturación, λ, de aproximadamente 20 microdeformaciones y más, junto con una intensidad de campo de anisotropía magnética baja, H_A, de menos de 1 kA/m (para alcanzar la saturación magnética). Metglas 2605SC también exhibe un efecto ΔE muy fuerte con reducciones en el módulo de Young efectivo hasta alrededor del 80 % a granel. Esto ayuda a construir MEMS magnéticos energéticamente eficientes.

Ferrita de cobalto, CoFe₂O₄ (CoO·Fe₂O₃), también se utiliza principalmente para sus aplicaciones magnetoestrictivas como sensores y actuadores, gracias a su magnetoestricción de alta saturación (~200 partes por millón). En ausencia de elementos de tierras raras, es un buen sustituto del Terfenol-D. Además, sus propiedades magnetoestrictivas se pueden ajustar induciendo una anisotropía uniaxial magnética. Esto se puede hacer mediante recocido magnético, compactación asistida por campo magnético o reacción bajo presión uniaxial. Esta última solución tiene la ventaja de ser ultrarrápida (20 min), gracias al uso de la sinterización por chispa de plasma.

En los primeros transductores de sonda durante la Segunda Guerra Mundial, el níquel se usaba como material magnetostrictivo. Para paliar la escasez de níquel, la marina japonesa utilizó una aleación de hierro y aluminio de la familia Alperm.

Comportamientos mecánicos de aleaciones magnetostrictivas

Efecto de la microestructura sobre la deformación elástica

Las aleaciones monocristalinas muestran una microdeformación superior, pero son vulnerables a la fluencia debido a las propiedades mecánicas anisotrópicas de la mayoría de los metales. Se ha observado que para aleaciones policristalinas con una alta área de cobertura de granos preferenciales por microdeformación, las propiedades mecánicas (ductilidad) de las aleaciones magnetoestrictivas pueden mejorar significativamente. Los pasos de procesamiento metalúrgico específicos promueven el crecimiento anormal de granos {011} en láminas delgadas de galfenol y alfenol, que contienen dos ejes fáciles para la alineación del dominio magnético durante la magnetoestricción. Esto se puede lograr agregando partículas como especies de boruro y carburo de niobio (NbC) durante la colada inicial en frío del lingote.

Para una aleación policristalina, una fórmula establecida para la magnetoestricción, λ, a partir de mediciones de microdeformación direccional conocidas es:

λ_s = 1/5(2λ₁₀₀+3λ₁₁₁)

Aleación Magnetostrictiva deformada a fractura

Durante los pasos subsiguientes de laminación en caliente y recristalización, se produce el fortalecimiento de las partículas en el que las partículas introducen una fuerza de "fijación" en los límites de los granos que impide el crecimiento normal (estocástico) de los granos en un paso de recocido asistido por un H2S. Por lo tanto, se puede lograr una textura similar a la de un solo cristal (~90 % {011} de cobertura de grano), lo que reduce la interferencia con la alineación del dominio magnético y aumenta la microdeformación alcanzable para las aleaciones policristalinas, según lo medido por medidores de tensión semiconductores. Estas texturas superficiales se pueden visualizar utilizando la difracción de retrodispersión de electrones (EBSD) o técnicas de difracción relacionadas.

Esfuerzo compresivo para inducir la alineación del dominio

Para aplicaciones de actuadores, la rotación máxima de los momentos magnéticos conduce a la salida de magnetoestricción más alta posible. Esto se puede lograr mediante técnicas de procesamiento como el recocido bajo tensión y el recocido de campo. Sin embargo, también se pueden aplicar tensiones previas mecánicas a láminas delgadas para inducir la alineación perpendicular al accionamiento, siempre que la tensión esté por debajo del límite de pandeo. Por ejemplo, se ha demostrado que el pretensado compresivo aplicado de hasta ~50 MPa puede resultar en un aumento de la magnetoestricción de ~90%. Se supone que esto se debe a un "salto" en la alineación inicial de los dominios perpendiculares a la tensión aplicada y una alineación final mejorada paralela a la tensión aplicada.

Comportamiento constitutivo de materiales magnetostrictivos

Estos materiales generalmente muestran un comportamiento no lineal con un cambio en el campo magnético aplicado o en la tensión. Para campos magnéticos pequeños, el comportamiento constitutivo piezomagnético lineal es suficiente. El comportamiento magnético no lineal se captura utilizando un modelo macroscópico clásico como el modelo Preisach y el modelo Jiles-Atherton. Para capturar el comportamiento magnetomecánico, Armstrong propuso un "promedio de energía" acercarse. Más recientemente, Wahi et al. han propuesto un modelo constitutivo computacionalmente eficiente en el que el comportamiento constitutivo se captura mediante un método de "linealización local" esquema.

Aplicaciones

• Vigilancia electrónica de artículos – usando magnetostricción para evitar el robo de tiendas
• Líneas de retraso magnético - una forma anterior de memoria de la computadora
• Altavoces y auriculares magnéticos