磁致伸缩材料及铁磁体性质

磁致伸缩材料及铁磁体性质

一.铁磁体的性质

首先要了解下述有关效应：

1.磁滞效应：铁磁体在磁化过程中，磁感应强度总是落后于磁场强度的现象称为磁滞效应。从物理学的知识可以知道，由于磁滞现象的存在，处于交变磁场中的铁磁体有能耗-磁滞损耗存在，这种能耗最终以热能形式散发掉。

假定对铁磁体施加的外加交变磁场是圆频率为ω的简谐量，则：H→=Hm·e jωt（这里上标“→”表示盖参数为矢量，下同）

由于存在磁滞效应，与H相应的磁感应强度为：B→=Bm·e j（ωt-φ1）（式中φ1称为动态磁滞损耗角）

这样，磁场强度与磁感应强度之间的比例系数--交变磁导率必为一个复磁导率μ→：μ→=B→/H→=μ·e-jφ1

式中μ=Bm/Hm称为复磁导率的模，或称动态磁导率，为了和此动态磁导率相区别，我们把稳恒磁场的磁导率称为静态磁导率，以μ表示。

2.涡流效应：铁磁体通常也是导电体，由于磁感应强度的变化，在铁磁体内将有感应电流--涡流产生。涡流的出现必将阻碍材料的磁化而且使能耗也随之增加，这会使得动态磁导率μ比不存在涡流时更小。这里顺便提一句：在涡流检测技术中利用的是涡流效应，但在磁致伸缩效应中，这种涡流效应则是起到损耗能量的作用。

考虑磁滞损耗与涡流损耗同时存在的情况时，复磁导率可表示为：μ→=B→/H→=μX·e-j（φ1+φ2）

式中μ为动态磁导率，X为涡流去磁系数，φ2为涡流损耗角。

3.磁致伸缩效应：实际上，磁之伸缩现象能同时引起多种变化，其主要表现可以归纳如下：

由磁化引起的机械性变形（应变）中包括有：

一元变化（材料沿磁场方向的伸缩--焦耳效应；材料垂直于磁场方向的伸缩--焦耳横向效应和因磁化而使材料发生扭曲--Guillemin效应）；

扭曲变化（因纵向磁场及其周围的周向磁场的作用而被磁化时产生的扭曲现象--Wiedemann效应以及已受扭曲产生永久性变形的材料在纵向或周向被磁化时产生的扭曲现象）；

体积变化（由磁化引起的体积变化--Bernett效应）。

实际上这些是因磁畴转动变化而引起的。

由机械性变形引起的磁性变化中包括有：

一元变化（材料伸缩方向上磁化曲线的变化--Villari效应，垂直于材料伸缩方向上磁化曲线的变化--Villari横向效应和材料挠曲引起的磁化曲线变化--Guillemin逆效应）；

扭曲变化（被周向磁化的棒在扭转时会在周向产生磁化的现象--扭转磁致伸缩效应--Wertheim效应以及被轴向磁化的棒在扭转时会使同一方向产生磁化变化的现象--二次扭转磁致伸缩效应）；

体积变化（由流体压力引起的磁化曲线变化--长冈与本多效应）。

实际上这些是强迫磁畴位移而导致磁化强度变化引起的。

下面我们只介绍与磁致伸缩式电声换能器关系密切的特性：

[1]正向线型磁致伸缩效应

在外磁场作用下，细棒形铁磁材料沿磁力线方向发生长度变化（伸长或缩短）的现象称为正向线型磁致伸缩效应。该效应的一个重要特点是它的相对形变仅与磁场大小有关，而与磁场方向无关，即：相对形变△l/l=φ（H2）或△l/l=ψ（B2）

实验表明，在不太大的范围内，上述函数φ或ψ可以认为是线性函数，即：△l/l∝B2

由胡克定律可知，应力与应变成正比，则有：Tm=γB2（式中γ为比例系数，Tm为磁致伸缩应力）

此外：假定应变S=△l/l，应力T=CS，C为杨氏弹性模量。

注意：△l/l是磁致伸缩材料的重要性能参数之一，△l/l越大，表明材料的磁致伸缩效应越强。

不同的磁致伸缩材料在磁场中有不同的表现，如图4.4为某些材料的磁致伸缩曲线，表示这些材料在恒定磁场中相对长度伸缩与磁场强度的关系。由图中可见，当磁场增强时，铁铝合金（87%Fe，13%Al）等伸长，纯镍缩短，而纯铁则先伸长后缩短。

图4.4 某些材料的静磁致伸缩特性图4.5 磁致伸缩换能器原理在图4.5中，当线圈通入圆频率为ω的交变电流时，铁磁体将在交变磁感应强度的作用下发生伸缩振动，此时：

B=Bm·cosωt

故：Tm=γB2=γB m2·cos2ωt=γB m2[（1/2）（1+cos2ωt）]=（γB m2/2）+（γB m2/2）cos2ωt

这表明交变应力Tm的频率是输入信号频率的两倍，如同前面章节中述及的电磁式换能器的情况，这将导致信号“失真”。

为了获得无失真的能量转换，我们同样可以采用极化系统，即在原铁磁体上沿轴向另外施加一个稳恒磁场（即极化磁场或称偏置磁场），用B∥和B分别表示极化磁感应强度和简谐交变磁感应强度，则有：

Tm=γ（B∥+ B）2

=γ（B∥2+2B∥B+B2）

=γ（B∥2+2B∥Bm·cosωt+B m2·cos2ωt）

=γ[B∥2+2B∥Bm·cosωt+（B m2/2）（1+cos2ωt）]

=γ[B∥2+（B m2/2）]+2γB∥Bm·cosωt+（B m2cos2ωt/2）

式中第一项为恒定应力，它对激发超声波是不起作用的，第二项为用于激发超声波的交变应力，第三项是畸变部分。当我们取B∥»B m时可将第三项忽略不计。

这样，我们可以把磁致伸缩应力与交变磁感应强度的关系写成：T=2γB∥Bm·cosωt=（2γB∥）Bm=σ（B∥）·B 式中的σ（B∥）=2γB∥称为磁致伸缩应力常数。

同样，我们可以得到在自由状态下磁致伸缩应变与磁感应强度的关系：S=β（B∥）·B

式中的β（B∥）=2CB∥为磁致伸缩应变常数，它与材料有关并与对材料施加的恒定磁感应强度B∥成正比，C为沿磁场方向和伸缩方向的弹性模量。由于T=CS，因此σ（B∥）=Cβ（B∥）

[2]反向线型磁致伸缩效应

被磁化（被极化）的细棒形铁磁材料在受到交变应力作用时发生交变应变，则会引起该棒的磁化状态（磁通密度）发生变化，此即反向线型磁致伸缩效应（正向线型磁致伸缩效应的逆效应），其应变S l与附加磁场强度的关系有：H=λ（B∥）·S l

式中的λ（B∥）=4πσ（B∥）称为反向磁致伸缩常数。这种效应即是磁致伸缩式换能器接收超声信号的原理。

[3]施加恒定（极化）磁场的方法