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Magnetostriktion

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Magnetostriktion

Magnetostriktion ist die Deformation magnetischer (insbesondere ferromagnetischer) Stoffe infolge eines angelegten magnetischen Feldes. Dabei erfährt der Körper bei konstantem Volumen eine elastische Längenänderung (Joule-Magnetostriktion).

Als Besonderheit, z. B. bei Invar-Legierungen, gibt es auch die Möglichkeit der Volumen-Magnetostriktion, bei der das Volumen veränderlich ist; sie ist normalerweise wesentlich kleiner als die Joule-Magnetostriktion.

Quantenmechanische Ursache des Phänomens (wie auch der zugrundeliegenden magnetischen Anisotropie) ist die Spin-Bahn-Wechselwirkung.

Geschichte

Erstmals entdeckt von Matteucci und Joule (1847)<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref> und eingehend untersucht von Villari (1865) und Wiedemann, begann die Anwendung der Magnetoelastizität in der Magnetostriktion während des Zweiten Weltkriegs in einigen Sonaranwendungen. 1975 wurde der erste magnetostriktive lineare Positionssensor von Jacob Tellerman erfunden. Tellerman hatte die Idee, mit Hilfe eines Dauermagneten eine Ultraschallwelle an einer bestimmten Stelle entlang des Wellenleiters zu erzeugen. Die Zeit, die vergeht, bis der Ultraschallimpuls ein Ende des Wellenleiters erreicht, würde dann die Position des Magneten anzeigen.<ref>{{#if:{{#ifexpr:{{#if:US|0|1}} or {{#if:2995736|0|1}}|1}}|Fehlender Parameter {{#if:US||„Land“{{#if:2995736|| und }}}}{{#if:2995736||„V-Nr“}}|}}{{#if: {{#invoke:Expr|TemplateBooland}}|{{#ifeq:|Patentanmeldung|Patentanmeldung|{{#ifeq:|Gebrauchsmuster|Gebrauchsmuster|Patent}}}} {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}|US2995736A|{{#switch: {{{DB}}} | DEPATIS =US2995736A | WIPO = US2995736 | Google = US2995736A | #default =US2995736A }}}}{{#if:Analog to digital transducer1960-02-081961-08-08Bosch Arma CorpJacob Tellerman|:|.}}{{#if:Analog to digital transducer| Analog to digital transducer.}}{{#if:1960-02-08| Angemeldet am {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}{{#if:1961-08-08Bosch Arma CorpJacob Tellerman|,}}}}{{#if:1961-08-08|{{#if:1960-02-08| veröffentlicht am | Veröffentlicht am }}{{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}{{#if:Bosch Arma CorpJacob Tellerman|,}}}}{{#if:Bosch Arma Corp| Anmelder: Bosch Arma Corp{{#if:Jacob Tellerman|,}}}}{{#if:Jacob Tellerman| Erfinder: Jacob Tellerman}}{{#if:| ({{{Kommentar}}})}}{{#if:1960-02-081961-08-08Bosch Arma CorpJacob Tellerman|.}}‌}}{{#invoke:TemplatePar|match |template= Vorlage:Patent |cat= {{#ifeq: 0 | 0 | Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:Patent}} |format= |preview=@@@ |1=Land= ABC+ |2=V-Nr= /^[0-9A-Z]+$/ |3=Titel= * |4=Erfinder= * |5=Anmelder= * |6=A-Datum= * |7=V-Datum= * |8=Typ= ASCII |9=Code= ASCII |10=Kommentar= * |11=KeinLink= ASCII |12=DB=ASCII }}</ref> So erfand er einen neuen industriellen Sensor und gründete das Unternehmen Temposonics.<ref>{{#if:{{#ifexpr:{{#if:US|0|1}} or {{#if:4298861|0|1}}|1}}|Fehlender Parameter {{#if:US||„Land“{{#if:4298861|| und }}}}{{#if:4298861||„V-Nr“}}|}}{{#if: {{#invoke:Expr|TemplateBooland}}|{{#ifeq:|Patentanmeldung|Patentanmeldung|{{#ifeq:|Gebrauchsmuster|Gebrauchsmuster|Patent}}}} {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}|US4298861A|{{#switch: {{{DB}}} | DEPATIS =US4298861A | WIPO = US4298861 | Google = US4298861A | #default =US4298861A }}}}{{#if:Integrated ultrasonic magnetic encoder1978-07-101981-11-03Temposonics IncJacob Tellerman|:|.}}{{#if:Integrated ultrasonic magnetic encoder| Integrated ultrasonic magnetic encoder.}}{{#if:1978-07-10| Angemeldet am {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}{{#if:1981-11-03Temposonics IncJacob Tellerman|,}}}}{{#if:1981-11-03|{{#if:1978-07-10| veröffentlicht am | Veröffentlicht am }}{{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}{{#if:Temposonics IncJacob Tellerman|,}}}}{{#if:Temposonics Inc| Anmelder: Temposonics Inc{{#if:Jacob Tellerman|,}}}}{{#if:Jacob Tellerman| Erfinder: Jacob Tellerman}}{{#if:| ({{{Kommentar}}})}}{{#if:1978-07-101981-11-03Temposonics IncJacob Tellerman|.}}‌}}{{#invoke:TemplatePar|match |template= Vorlage:Patent |cat= {{#ifeq: 0 | 0 | Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:Patent}} |format= |preview=@@@ |1=Land= ABC+ |2=V-Nr= /^[0-9A-Z]+$/ |3=Titel= * |4=Erfinder= * |5=Anmelder= * |6=A-Datum= * |7=V-Datum= * |8=Typ= ASCII |9=Code= ASCII |10=Kommentar= * |11=KeinLink= ASCII |12=DB=ASCII }}</ref>

Prinzip

Legt man an ferromagnetisches Material ein äußeres magnetisches Feld an, so richten sich die Weissschen Bezirke gleich aus. Durch das Drehen der Dipole ändert sich die Länge eines Stabes im Bereich von ca. 10 bis 30 µm/m (hochmagnetostriktive Werkstoffe: bis 2 mm/m).<ref>H. Janocha: Aktoren. Springer Verlag, Berlin 2006, ISBN 3-540-54707-X.</ref> Durch ein magnetisches Wechselfeld wird jeder ferromagnetische Stoff, beispielsweise der Eisenkern eines Transformators, zu mechanischen Schwingungen angeregt. Durch Magnetostriktion an ferromagnetischen Materialien (z. B. in Spulenkernen) in sich ändernden Magnetfeldern kann es zu Geräuschen kommen – ähnlich wie es durch Elektrostriktion in einem sich stark ändernden elektrischen Feld an einem Dielektrikum (z. B. in einem Kondensator) zu Geräuschen kommen kann.<ref>Elektronik in der Fahrzeugtechnik, S. 175, Google Books</ref> Diese physikalische Reaktion eines ferromagnetischen Materials beruht auf dem Vorhandensein von magnetischen Bewegungen, im Wesentlichen einer Ansammlung winziger Dauermagneten oder magnetischen Bereichen. Jeder Bereich besteht aus vielen Atomen. Wenn ein Material nicht magnetisiert ist, sind die Bereiche zufällig angeordnet. Wird das Material magnetisiert, werden die Bereiche so ausgerichtet, dass ihre Achsen ungefähr parallel zueinander verlaufen, und die Größe oder Form wird verändert. Die Wechselwirkung eines äußeren Magnetfeldes mit den Bereichen verursacht ebenfalls den magnetostriktiven Effekt. Die Anordnung der Bereiche und damit das Ausmaß des Effekts kann durch die Wahl der Legierung, das thermische Glühen, die Kaltbearbeitung und die Stärke des Magnetfelds beeinflusst werden.<ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref>

Für induktive Bauteile sind magnetische Werkstoffe mit möglichst geringer Magnetostriktion wünschenswert, da sich einerseits die magnetischen Eigenschaften durch Druck oder Zug (z. B. durch Einspannen, Verkleben oder Vergießen von Kernen) verändern, und andererseits durch den Betrieb von Transformatoren oder Drosseln am 50-Hz-Netz das Netzbrummen mit einer Frequenz von 100 Hz in Europa auftritt. Die weichmagnetische kristalline Legierung Permalloy, Ni81Fe19, erfüllt die gewünschten Bedingungen. Noch besser sind amorphe Eisen-Legierungen.

Anwendungen

Verwendet wurde die Magnetostriktion schon früher, z. B. um Ultraschall zu erzeugen. Dabei wird ein Stab aus Material mit hoher Magnetostriktion (z. B. Nickel) in einer Spule mit Wechselstrom ummagnetisiert.

Auch in modernen Warensicherungsetiketten wird dieser Effekt genutzt.

Ein linearer Aktor, der mit Magnetostriktion arbeitet, ist der Wurmmotor.<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:Hartmut Janocha|Hartmut Janocha: }}{{#if:|{{#if:Unkonventionelle Aktoren: Eine Einführung|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Unkonventionelle Aktoren: Eine Einführung}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:http://books.google.com/books?isbn=3486589156%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Unkonventionelle Aktoren: Eine Einführung}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=http://books.google.com/books?isbn=3486589156}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Unkonventionelle Aktoren: Eine Einführung}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:Oldenbourg Verlag{{#if: 2012-09-13 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}} 

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Es gibt magnetoelastische Sensoren, welche die inverse Magnetostriktion, d. h. die Änderung der Magnetisierung durch mechanische Spannungen, beispielsweise für die Messung von Zug- und Druckkraft sowie Torsion nutzen.

Magnetostriktive Konstante

Bei der Joule-Magnetostriktion wird ein Körper unter dem Einfluss eines magnetischen H-Feldes gedehnt. Mit Hilfe der relativen Längenänderung parallel zum Feld wird die (feldstärkeabhängige) magnetostriktive Konstante <math>\lambda_\|</math> definiert:

<math>\lambda_\| = \frac{\Delta l}{l_0},</math>

wobei <math>{\Delta l}</math> als Länge unter Einfluss des Magnetfeldes - Länge ohne Einfluss berechnet wird.

Da das Umklappen der magnetischen Momente das Volumen erhält, gilt senkrecht zum Feld (vgl. auch Querdehnungszahl):

<math>\lambda_\bot \approx -\frac{1}{2}\lambda_\|.</math>
Magnetostriktive Konstanten bekannter Materialien<ref>Dapino, M. J.: On magnetostrictive materials and their use in adaptive structures. Structural Engineering and Mechanics 17(3-4) (2004), S. 303–329.</ref><ref>Trémolet de Lacheisserie, E.: Magnetostriction - Theory and Applications of Magnetoelasticity. CRC Press, Boca Raton, 1993.</ref>
Material </math> [10−6] Curietemperatur TC [°C]
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Tb (−196 °C) 3000 −48
Dy (−196 °C) 6000 −184
TbFe2 1753 424
Tb0,3Dy0,7Fe2 (Terfenol-D) 1620 380
SmFe2 −1560 403
Samfenol-D −1125
CoFe2O4 (Einkristall) 600...900 520
CoFe2O4 (polykristallin) 230 520
Metglass 2605SC 60 370

Siehe auch

Literatur

  • William Fuller Brown, Jr.: Magnetoelastic Interactions. Springer, Berlin 1966.

Einzelnachweise

<references />

Abgerufen von „https://wiki-de.moshellshocker.dns64.de/index.php?title=Magnetostriktion&oldid=112860“