磁弹耦合效应

压磁式传感器
在压磁材料的中间部分开有四个对称的小孔1、 2、3和4，在孔1、2间绕有激励绕组N12，孔3、 4间绕有输出绕组N34。当激励绕组中通过交流 电流时，铁心中就会产生磁场。若把孔间空间 分成A、B、C、D四个区域，在无外力作用的情 况下，A、B、C、D四个区域的磁导率是相同的。 这时合成磁场强度H平行与输出绕组的平面，磁 力线不与输出绕组交链，N34不产生感应电动势， 如图所示。 在压力F作用下，如图c所示，A、B区域将受到 一定的应力，而C、D区域基本处于自由状态， 于是A、B区域的磁导率下降、磁阻增大，C、D 区域的磁导率基本不变。这样激励绕组所产生 的磁力线将重新分布，部分磁力线绕过C、D区 域闭合，于是合成磁场H不再与N34平面平行， 一部分磁力线与N34交链而产生感应电动势e。F 值越大，与N34交链的磁通越多，e值越大。
磁致伸缩效应特点
（1）磁致伸缩所引起的相对变形量很小，约在10-6数量级。 （2）磁致伸缩应变与材料的性质、加工方法和预先磁化的程度有关。 不同的铁磁材料在相同的磁场强度H的作用下，所产生的伸长或缩短的 大小是不相同的。 （3）磁致伸缩材料具有磁致伸缩饱和现象，即当外加磁场强度由小逐 渐加大时，应变开始随之增加，但当磁场增至一定程度以后，应变就不 再增加了，称此时的最大磁致伸缩应变为 饱和磁致伸缩应变。 （4）磁致伸缩形变与温度有密切关系，当温度升高时，由于铁磁材料 晶格的变化，磁化强度会发生变化。有些材料的磁 致伸缩随温度呈直线 下降，有的先升高后下降，有的下降到零 后又升高再下降。不管是哪种 变化情况，它们都存在一个QT的温度，一旦到达这一温度，自发磁化不 再存在，铁磁体变为 顺磁体，称为材料的居里点。要利用磁致伸缩材料 的磁致伸缩效应，必须让它处于远低于居里点的温度环境内。
压磁效应原理
磁材料被磁化时,如果受到限制而不能伸缩,内部会产生应力。同样 在外部施加力也会产生应力。当铁磁材料因磁化而引起伸缩(不管 何种原因)产生应力σ时,其内部必然存在磁弹性能量E0,分析表明,E0 与λm・σ之积成正比,其中λm为磁致伸缩系数。并且还与磁化方向与 应力方向之间的夹角有关。由于E0的存在,将使磁化方向改变,对于 正磁致伸缩材料,如果存在拉应力,将使磁化方向转向拉应力方向,加 强拉应力方向的磁化,从而使拉应力方向的磁导率μ增大。压应力将 使磁化方向转向垂直于应力的方向,削弱压应力方向的磁化,从而使 压应力方向的磁导率减小。对于负磁致伸缩材料,情况正好相反。 这种被磁化的铁磁材料在应力影响下形成磁弹性能,使磁化强度矢 量重新取向,从而改变应力方向的磁导率的现象称为磁弹效应或压 磁效应。 铁磁材料的相对磁导率变化与应力σ之间的关系为： Δμ/μ=(2λm/Bm2)σμ
磁弹耦合效应
孔祥聪 唐亚兵 葛晓婧
磁弹耦合效应
• 定义：磁弹耦合效应是反应磁性材料磁学性质（μ）和力学性质 （σ/S）相互关系的一种现象。包括磁致伸缩效应和逆磁致伸缩效 应（也称压磁效应、磁弹效应）。
磁致伸缩效应
• 定义：磁致伸缩，就是物体在受到外磁场作用时,沿磁力线方向会 产生伸缩相对变形。磁致伸缩的大小以相对伸缩值λ=Δl/l表示。 “λ”即磁致伸缩系数。 • 一切铁磁材料都具有磁致伸缩效应，不同材料的磁致伸缩效应不 同，有些材料在外磁场作用下伸长，具有正的磁致伸缩系数；还 有些材料在磁场作用下缩短，具有负的磁致伸缩系数。 • 根据铁磁材料在磁场中的几何尺寸变化的形式不同，磁致伸缩效 应可分为纵向效应、横向效应、扭转效应和体积效应。
• 磁畴旋转的示意图如右图。在外磁场 作用下，小磁畴受力改变其取向，随 着磁场的增大，越来越多的磁畴取向 发生改变并趋于一致，且其取向偏离 原取向的角度也逐渐增大。 • 按照所加外磁场的大小逐一来看。在0 和1区间之间，提供的磁场很小，磁畴 几乎不体现其定位模式。在1-2区间， 我们设想，应变与磁场之间存在几乎 趋于线性的关系。因为关系简单，容 易预测材料的性能，所以，大部分设 备被设计工作于这个区间。曲线超过 点2后，应变与磁场关系又变为非线性， 这是由于大部分磁畴已经按照磁场的 方向排列整齐。在点3，出现饱和现象， 阻止了应变的进一步增加。
磁致伸缩材料
磁致伸缩材料在外磁场的作用下，其长度或体积发生形变，主要长 度的形变，因而发生位移而做功，或在交变磁场中，反复伸长或缩 短，从而引起振动或声波，这种材料可将电磁能(或电磁信息)转换 成机械能或声能(或机械位移信息或声信息)，是重要的能量和信息 转换材料。 因此，具有较大磁致伸缩系数（一般λs≥40*10-6)的材料称 为磁致伸 缩材料。选用磁致伸缩材料的要求是：饱和磁致伸缩应变λs要大， 磁致伸缩应变对磁场的变化率（dλ/dH）max要大，即要求在低磁场 下有很高的λ值，电磁能与机械能的相互转换效率要高。
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磁致弹性效应（逆磁致伸缩效应）
定义：磁致弹性效应（简称磁弹效应）是铁磁性材料在机械应力 （应变）的作用下，材料磁性随着改变的现象。磁弹效应与磁致伸 缩效应相反，因此也被称为逆磁致伸缩效应，有时也称压磁效应。 又由于该效应是Villari于1865年发现的，因此也称为Villari效应。 磁弹效应的产生是因为磁性材料内磁畴结构与其应力状态有密切关 系。在应力作用下，材料内的畴壁将改变其位置。
（5）磁致伸缩材料的磁致伸缩应变与磁场的方向无关，即当磁场 的方向改变而数值不变时，所产生的应变的大小和符号不变，说明 应变S是磁场强度H的偶函数，即S = Δl/l=Ψ(H2)或S=Ψ(B2)。 实验证明，在棒自由情况下， S=K(B)B2 式中K(B)为比例系数，它是磁感应强度B的函数。 （6）铁磁材料在外磁场作用下能产生磁致伸缩应变，由此产生的 机械应力，称为磁致伸缩应力Tm，它可表示为 Tm = YΔl/l= YK(B)B2 式中Y为杨氏模量。 在极化时,可认为Tm=α(B0)B， α(B0)称为磁致伸缩应力常数，是B0的 函数。
自发现物质的磁致伸缩效应后，人们研究和发展了一系列磁致伸缩 材料，主要有3大类： （1）磁致伸缩的金属与合金，如镍（Ni)基合金（Ni, Ni-Co合金， Ni-Co-Cr合金）和铁基合金（如Fe-Ni合 金，Fe-Al合金，Fe-Co-V合金 等）； （2）铁氧体磁致伸缩材料，如Ni-Co和Ni-Co-Cu铁氧体材料等。前 两种称为传统磁致伸缩材料，其λ值较小，在 20 ~ 80 ppm 之间； （3）近期发展了稀土金属间化合物磁致伸缩材料，称为稀土超磁 致伸缩材料。它以（Tb(铽),Dy(镝)) Fe2化合物为基体的合金，如 Tb0.3Dy0.7Fe1.95 材料（Tb - Dy - Fe 材料）的 λ 达到 (1500 ~ 2000) ppm,比磁致伸缩的金属与合金和铁氧体磁致伸缩材料的λ大1 ~2个 数量级，称为稀土超磁致伸缩材料。
磁致伸缩效应的应用
• 磁致伸缩材料可以制成功率电-声换能器、电-机换能器、 驱动器、传感器和电子器件等, 广泛应用于海洋、地质、 航空航天、运输、加工制造、医学、计算机、机器人、 仪器、电子及民品等技术领域。
• 磁致伸缩马达 1988年柏林大学的L.Kiesewetter教 授研制出世界上第一台超磁致伸缩 马达。当移动线圈通入电流且位置 发生变化时，超磁致伸缩棒运动部 分分别在纵向和径向方向上产生磁 致伸缩应变，使超磁致伸缩棒交替 伸缩，像虫子一样蠕动前进。它的 最大速度可达20mm/s并具有驱动 重载无反冲的优点。
磁致伸缩效应的本质原理
• 小磁畴的旋转被认为是磁致伸缩效应 改变长度的原因。磁畴旋转以及重新 定位导致了材料结构的内部应变。结 构内的应变导致了材料沿磁场方向的 伸展（由于正向磁致伸缩效应）。在 此伸展过程中，总体积基本保持不变， 材料横截面积减小。总体积的改变很 小，在正常运行条件下可以被忽略。 增强磁场可以使越来越多的磁畴在磁 场方向更为强烈和准确的重新定位。 所有磁畴都沿磁场方向排列整齐即达 到饱和状态。右图为长度随磁场强度 变化的理想化。
压磁效应的性质及应用
性质：磁性材料的应力状态与其内部的磁畴结构有着密切关系，而 磁畴结构的变化将直接导致材料磁场性能的变化，利用磁弹效应可 以通过测量磁性材料的磁场性能变化测得结构的应力状态变化，从 而将测应力的问题转化为测磁场性质的问题。 应用：通过磁弹效应，可以将工程中复杂的应力测量问题转化为研 究电磁学的问题，具有较大的工程实际意义，如建筑、土木工程、 航空航天领域。