magnetostricción

La magnetostricción es una propiedad de los materiales magnéticos que provoca que cambien de forma o dimensiones durante el proceso de magnetización . La variación de la magnetización de los materiales debido al campo magnético aplicado modifica la deformación magnetostrictiva hasta alcanzar su valor de saturación, λ. Este efecto fue identificado por primera vez en 1842 por James Joule al observar una muestra de hierro . ^{[ 1 ]}

La magnetostricción se aplica a los campos magnéticos, mientras que la electroestricción se aplica a los campos eléctricos.

La magnetostricción provoca pérdidas de energía debido al calentamiento por fricción en núcleos ferromagnéticos susceptibles, y también es responsable del zumbido de baja frecuencia que se puede escuchar proveniente de los transformadores, donde las corrientes alternas producen un campo magnético variable. ^{[ 2 ]}

Internamente, los materiales ferromagnéticos tienen una estructura dividida en dominios , cada uno de los cuales es una región de magnetización uniforme. Al aplicar un campo magnético, los límites entre los dominios se desplazan y los dominios rotan; ambos efectos provocan un cambio en las dimensiones del material. La razón por la que un cambio en los dominios magnéticos de un material resulta en un cambio en sus dimensiones es consecuencia de la anisotropía magnetocristalina ; se requiere más energía para magnetizar un material cristalino en una dirección que en otra. Si se aplica un campo magnético al material en un ángulo con respecto a un eje de fácil magnetización, el material tenderá a reorganizar su estructura de manera que un eje de fácil magnetización se alinee con el campo para minimizar la energía libre del sistema. Dado que las diferentes direcciones cristalográficas se asocian con diferentes longitudes, este efecto induce una deformación en el material. ^{[ 3 ]}

El efecto recíproco, es decir, el cambio en la susceptibilidad magnética (respuesta a un campo aplicado) de un material al ser sometido a una tensión mecánica, se denomina efecto Villari . Otros dos efectos están relacionados con la magnetostricción: el efecto Matteucci , que consiste en la creación de una anisotropía helicoidal de la susceptibilidad de un material magnetostrictivo al ser sometido a un par de torsión , y el efecto Wiedemann, que consiste en la torsión de estos materiales al aplicarles un campo magnético helicoidal.

La inversión de Villari es el cambio de signo de la magnetostricción del hierro de positivo a negativo cuando se expone a campos magnéticos de aproximadamente 40 kA/m . 

Al magnetizarse, un material magnético experimenta pequeños cambios de volumen: del orden de 10 ⁻⁶ .

Al igual que la densidad de flujo , la magnetostricción también presenta histéresis en función de la intensidad del campo magnetizante. La forma de este bucle de histéresis (denominado "bucle de libélula") puede reproducirse utilizando el modelo de Jiles-Atherton . ^{[ 4 ]}

Los materiales magnetostrictivos pueden convertir la energía magnética en energía cinética , o viceversa, y se utilizan para construir actuadores y sensores . La propiedad se puede cuantificar mediante el coeficiente magnetostrictivo, λ, que puede ser positivo o negativo y se define como el cambio fraccional en la longitud a medida que la magnetización del material aumenta de cero al valor de saturación . El efecto es responsable del familiar " zumbido eléctrico " (Escuchar^ⓘ ) que se puede oír cercade transformadoresy dispositivos eléctricos de alta potencia.

El cobalto exhibe la mayor magnetostricción a temperatura ambiente de un elemento puro a 60 microdeformaciones . Entre las aleaciones, la magnetostricción más alta conocida la exhibe el Terfenol-D (Ter para terbio , Fe para hierro , NOL para Laboratorio de Armamento Naval y D para disprosio ). El Terfenol-D, Tb _x Dy _{1− x} Fe ₂ , exhibe alrededor de 2000 microdeformaciones en un campo de 160 kA/m (2 kOe) a temperatura ambiente y es el material magnetostrictivo de ingeniería más comúnmente utilizado. ^{[ 5 ]} El Galfenol , Fe _x Ga _{1− x} , y el Alfer , Fe _x Al _{1− x} , son aleaciones más nuevas que exhiben 200-400 microdeformaciones a campos aplicados más bajos (~200 Oe) y tienen propiedades mecánicas mejoradas en comparación con el frágil Terfenol-D. Ambas aleaciones tienen ejes fáciles <100> para la magnetostricción y demuestran suficiente ductilidad para aplicaciones de sensores y actuadores. ^{[ 6 ]}

Otro compuesto magnetostrictivo muy común es la aleación amorfa Fe ₈₁ Si _3.5 B _13.5 C ₂ con su nombre comercial Metglas 2605SC. Las propiedades favorables de este material son su alta constante de magnetostricción de saturación, λ, de aproximadamente 20 microdeformaciones o más, junto con una baja intensidad de campo de anisotropía magnética , H _A , de menos de 1 kA/m (para alcanzar la saturación magnética ). Metglas 2605SC también exhibe un efecto ΔE muy fuerte con reducciones en el módulo de Young efectivo de hasta aproximadamente el 80% en el volumen. Esto ayuda a construir MEMS magnéticos de bajo consumo energético .

El ferrito _de cobalto , CoFe₂O₄ (CoO·Fe₂O₃ ) _{, también} se utiliza principalmente por sus aplicaciones magnetostrictivas como sensores y actuadores, gracias a su alta magnetostricción de saturación (~200 partes por millón). _[ ^{7 ] En} ausencia de elementos de tierras raras , es un buen sustituto del Terfenol-D . ^{[ 8 ]} Además, sus propiedades magnetostrictivas pueden ajustarse induciendo una anisotropía magnética uniaxial. ^{[ 9 ]} Esto puede hacerse mediante recocido magnético, ^{[ 10 ]} compactación asistida por campo magnético, ^{[ 11 ]} o reacción bajo presión uniaxial. ^{[ 12 ]} Esta última solución tiene la ventaja de ser ultrarrápida (20 min), gracias al uso de sinterización por plasma de chispa .

En los primeros transductores de sonar durante la Segunda Guerra Mundial, se utilizaba níquel como material magnetostrictivo. Para paliar la escasez de níquel, la armada japonesa empleó una aleación de hierro y aluminio de la familia Alperm .

Comportamiento mecánico de las aleaciones magnetostrictivas

Efecto de la microestructura en la deformación elástica de las aleaciones

Las aleaciones monocristalinas exhiben una microdeformación superior, pero son vulnerables a la fluencia debido a las propiedades mecánicas anisotrópicas de la mayoría de los metales. Se ha observado que para aleaciones policristalinas con una alta cobertura de área de granos preferenciales para la microdeformación, las propiedades mecánicas ( ductilidad ) de las aleaciones magnetostrictivas pueden mejorarse significativamente. Los pasos de procesamiento metalúrgico dirigidos promueven el crecimiento anormal de granos {011} en láminas delgadas de galfenol y alfenol , que contienen dos ejes fáciles para la alineación de dominios magnéticos durante la magnetostricción. Esto puede lograrse agregando partículas tales como especies de boruro ^{[ 13 ]} y carburo de niobio ( NbC ) ^{[ 14 ]} durante la fundición en frío inicial del lingote .

Para una aleación policristalina, una fórmula establecida para la magnetostricción, λ, a partir de mediciones conocidas de microdeformación direccional es: ^{[ 15 ]}

λ _s = 1/5(2λ ₁₀₀ +3λ ₁₁₁ )

Durante las etapas posteriores de laminación en caliente y recristalización , se produce un fortalecimiento de partículas en el que estas introducen una fuerza de "anclaje" en los límites de grano que dificulta el crecimiento normal ( estocástico ) del grano en una etapa de recocido asistida por una atmósfera _de H₂S . De este modo, se puede alcanzar una textura similar a la de un monocristal (~90 % de cobertura de grano {011}), lo que reduce la interferencia con la alineación de dominios magnéticos y aumenta la microdeformación alcanzable para aleaciones policristalinas, según lo medido por galgas extensométricas semiconductoras . ^{[ 16 ]} Estas texturas superficiales se pueden visualizar utilizando difracción de electrones retrodispersados ​​(EBSD) o técnicas de difracción relacionadas.

Esfuerzo compresivo para inducir la alineación de dominios

Para aplicaciones de actuadores, la rotación máxima de los momentos magnéticos conduce a la mayor magnetostricción posible. Esto se puede lograr mediante técnicas de procesamiento como el recocido bajo tensión y el recocido en campo magnético. Sin embargo, también se pueden aplicar pretensiones mecánicas a láminas delgadas para inducir una alineación perpendicular a la actuación, siempre que la tensión esté por debajo del límite de pandeo. Por ejemplo, se ha demostrado que una pretensión compresiva aplicada de hasta ~50 MPa puede resultar en un aumento de la magnetostricción de ~90 %. Se hipotetiza que esto se debe a un "salto" en la alineación inicial de los dominios perpendicular a la tensión aplicada y a una mejor alineación final paralela a dicha tensión. ^{[ 17 ]}

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• Terfenol-D
• Galfenol

• magnetostricción
• "Magnetostricción y ruido de transformadores" (PDF) . Archivado del original (PDF) el 10 de mayo de 2006.
• Altavoces invisibles de Feonic que utilizan magnetostricción.
• Fabricante de aleaciones magnetostrictivas: REMA-CN. Archivado el 21/03/2017 en Wayback Machine.