Effet Villari, effet magnétoélastique - le phénomène inverse de la magnétostriction

Effet Villari du nom d'un physicien italien Émilio Villariqui a découvert ce phénomène en 1865. Le phénomène est aussi appelé effet magnétoélastique… Son essence physique réside dans le changement de perméabilité magnétique, ainsi que les propriétés magnétiques associées des ferromagnétiques lors de la déformation mécanique d'échantillons constitués de ces ferromagnétiques. Le travail est basé sur ce principe transducteurs de mesure magnéto-élastiques.

Par exemple, regardez de boucles d'hystérésis permaloïde et nickel en conditions opératoires sur des éprouvettes sollicitées mécaniquement constituées de ces matériaux. Ainsi, lorsqu'un échantillon de nickel est étiré, à mesure que la contrainte de traction augmente, la boucle d'hystérésis s'incline. Cela signifie que plus le nickel est étiré, plus sa perméabilité magnétique est faible. La résistance à la traction du nickel diminue également. Et le permaloy est le contraire.

Lorsque l'échantillon de permalloy est étiré, la forme de sa boucle d'hystérésis se rapproche d'une boucle rectangulaire, ce qui signifie que la perméabilité magnétique du permalloy augmente pendant l'étirement, et l'inductance résiduelle augmente également. Si la contrainte passe de la traction à la compression, le signe du changement des paramètres magnétiques est également inversé.

La raison de la manifestation de l'effet Villari des ferromagnétiques sous déformation est la suivante. Lorsqu'une contrainte mécanique agit sur un ferromagnétique, il modifie sa structure de domaine, c'est-à-dire que les limites de domaine se déplacent, leurs vecteurs d'aimantation tournent. Ceci est similaire à la magnétisation du noyau avec un courant. Si ces processus ont la même direction, alors la perméabilité magnétique augmente, si la direction des processus est opposée, elle diminue.

L'effet Villari est réversible, d'où son nom effet magnétostrictif inverse… L'effet de magnétostriction directe consiste en la déformation d'un ferromagnétique sous l'action d'un champ magnétique qui lui est appliqué, ce qui conduit également à un déplacement des frontières de domaine, à une rotation des vecteurs des moments magnétiques, tandis que le réseau cristallin de la substance change son état énergétique en raison d'un changement dans les distances d'équilibre de ses nœuds, en raison du déplacement des atomes de leurs emplacements d'origine. Le réseau cristallin est déformé de sorte que pour certains échantillons (fer, nickel, cobalt, leurs alliages, etc.) l'allongement atteint 0,01.

Donc, magnétostriction - la propriété de certains métaux et alliages ferromagnétiques à se déformer (se contracter ou se dilater) pendant la magnétisation et, inversement, à changer de magnétisation pendant la déformation mécanique.

Ce phénomène est utilisé pour mettre en œuvre des résonateurs magnétostrictifs, où une résonance mécanique se produit sous l'action de champs magnétiques alternatifs. Les résonateurs magnétostrictifs peuvent être fabriqués pour des fréquences allant jusqu'à 100 kHz et même plus, et à ces fréquences, ils trouvent diverses applications pour la stabilisation de fréquence (similaire au quartz piézoélectrique) pour la réception d'ultrasons, etc.

Du point de vue de l'effet magnétoélastique, le matériau peut être caractérisé par un paramètre tel que coefficient de susceptibilité magnétoélastique… Il est défini comme le rapport de la variation de la perméabilité magnétique relative d'une substance à sa déformation relative ou à la contrainte mécanique appliquée.Et puisque la variation relative de la longueur et la contrainte mécanique sont liées la loi de Hooke, alors les coefficients sont liés entre eux par le module de Young :

L'évolution de la perméabilité magnétique d'un matériau lors de sa déformation peut être convertie en un signal électrique par mesure inductive (conversion inductive ou mutuelle inductive).

On sait que l'inductance d'une bobine sur un circuit magnétique fermé de section constante se trouve par la formule suivante :

Si maintenant le circuit magnétique est déformé par l'action d'une force externe, les dimensions géométriques et la perméabilité magnétique du circuit magnétique (noyau de la bobine) changeront. Ainsi, la déformation mécanique modifie l'inductance de la bobine. La variation d'inductance peut être calculée à l'aide de la différenciation :

Les matériaux ferromagnétiques à effet Villari très prononcé permettent de prendre :

Pour la conversion de mesure inductive mutuelle, l'inductance mutuelle des bobines est modifiée :

L'effet Villari est utilisé dans les transducteurs de mesure magnéto-élastiques modernesqui vous permettent de mesurer des forces et des pressions importantes, des contraintes mécaniques et des déformations dans divers objets.