Эффект Виллари назван в честь итальянского физика Эмилио Виллари, который открыл данное явление в 1865 году. Явление именуется также магнитоупругим эффектом. Его физическая суть заключается в изменении магнитной проницаемости, а также связанных с ней магнитных свойств ферромагнетиков при механической деформации образцов, из данных ферромагнетиков изготовленных. На данном принципе основывается работа магнитоупругих измерительных преобразователей.
Для примера можно взглянуть на петли гистерезиса пермаллоя и никеля в условиях действия на изготовленные из данных материалов образцы механического растяжения. Так, при растяжении образца из никеля, с ростом напряжения растяжения - петля гистерезиса наклоняется. Это значит, что чем больше растяжение никеля — тем меньше его магнитная проницаемость. Остаточная индукция при растяжении никеля также уменьшается. А пермаллой — наоборот.
Когда образец пермаллоя растягивают, форма его петли гистерезиса приближается к прямоугольной, значит магнитная проницаемость пермаллоя при растяжении увеличивается, остаточная индукция также растет. Если напряжение сменяется с растяжения на сжатие, то и знак изменения магнитных параметров сменяется на противоположный.
Причина проявления эффекта Виллари ферромагнетиками при деформации заключается в следующем. Когда на ферромагнетик действует механическое напряжение, это изменяет его доменную структуру, то есть границы доменов смещаются, их векторы намагниченности поворачиваются. Это подобно намагничиванию сердечника током. Если данные процессы имеют одинаковое направление, то магнитная проницаемость возрастает, если же направление процессов противоположно — уменьшается.
Эффект Виллари обратим, поэтому его называют обратным магнитострикционным эффектом. Эффект прямой магнитострикции заключается в деформации ферромагнетика под действием приложенного к нему магнитного поля, что также приводит к смещению границ доменов, к повороту векторов магнитных моментов, при этом кристаллическая решетка вещества изменяет свое энергетическое состояние из-за изменения равновесных расстояний ее узлов, из-за смещения атомов со своих исходных мест. Кристаллическая решетка деформируется так, что для некоторых образцов (железо, никель, кобальт, их сплавы и т.д.) относительное удлинение доходит до 0,01.
Итак, магнитострикция — свойства некоторых ферромагнитных металлов и сплавов деформироваться (сокращаться или расширяться) при намагничивании и, наоборот, изменять намагничение при механических деформациях.
Это явление используется для осуществления магнитострикционных резонаторов, в которых наступает механический резонанс пол действием переменных магнитных полей. Магнитострикционные резонаторы могут быть изготовлены для частот до 100 кгц и даже выше и на этих частотах находят себе различные применения для стабилизации частоты (аналогично пьезокварцам) для получения ультразвуков и т д.
С позиции магнитоупругого эффекта, материал можно характеризовать таким параметром как коэффициент магнитоупругой чувствительности. Он определяется как отношение изменения относительной магнитной проницаемости вещества к его относительной деформации или к приложенному механическому напряжению. А так как относительное изменение длины и механическое напряжение связаны законом Гука, то и коэффициенты связаны друг с другом через модуль Юнга:
Изменение магнитной проницаемости материала при его деформации может быть преобразовано в электрический сигнал при помощи индуктивного измерения (индуктивное или взаимоиндуктивное преобразование).
Известно, что индуктивность катушки на замкнутом магнитопроводе постоянного сечения находится по следующей формуле:
Если теперь магнитопровод деформировать действием некой внешней силы, то изменятся геометрические размеры и магнитная проницаемость магнитопровода (сердечника катушки). Таким образом, при механической деформации изменяется индуктивность катушки. Изменение индуктивности можно вычислить с помощью дифференцирования:
Ферромагнитные материалы с сильно выраженным эффектом Виллари позволяют принять:
Для взаимоиндуктивного измерительного преобразования изменяется взаимная индуктивность катушек:
Эффект Виллари применяется в современных магнитоупругих измерительных преобразователях, которые позволяют измерять значительные силы и давления, механические напряжения и деформации у различных объектов.
Андрей Повный