Пьезомагнетизм: Материалы и применение
Введение в пьезомагнетизм
Пьезомагнетизм - это свойство некоторых материалов, которые демонстрируют изменение своего магнитного состояния при механическом напряжении. В отличие от традиционного магнетизма, который обычно индуцируется внешними магнитными полями, пьезомагнетизм возникает благодаря внутренним свойствам кристаллической структуры материала.
Пьезомагнетизм и магнитострикция
Хотя и пьезомагнетизм, и магнитострикциясвязаны с взаимодействием механических напряжений и магнитных свойств, они принципиально различаются:
- Пьезомагнетизм: магнитные свойства изменяются под действием механического напряжения.
- Магнитострикция: физические размеры материала изменяются под воздействием магнитного поля.
|
Аспект |
Пьезомагнетизм |
Магнитострикция |
|
Причина |
Механическое напряжение, приложенное к материалу |
Магнитное поле, приложенное к материалу |
|
Влияние на магнетизм |
Изменяет магнитное состояние |
Изменяет физические размеры |
|
Обратимость |
Обратимо при снятии напряжения |
Обратимость при снятии магнитного поля |
|
Области применения |
Датчики, актуаторы |
Устройства магнитной памяти, точные приборы |
Примеры пьезомагнитных материалов
Пьезомагнитные свойства проявляют несколько материалов, каждый из которых обладает уникальными характеристиками:
- Оксид хрома (Cr₂O₃): Один из наиболее изученных пьезомагнитных материалов, полезный в магнитоэлектрических устройствах.
- Железный гранат с тербием (TbIG): Известен своим сильным пьезомагнитным откликом, применяется в высокочастотных устройствах.
- Магнетит (Fe₃O₄): Природный минерал с заметным пьезомагнитным эффектом, используемый в различных магнитных приложениях.
|
Материал |
Пьезомагнитный коэффициент (Т/м) |
Применение |
|
Оксид хрома (Cr₂O₃) |
0.5 |
Магнитоэлектрические датчики |
|
Железный гранат с тербием |
1.2 |
Высокочастотные магнитные устройства |
|
Магнетит (Fe₃O₄) |
0.8 |
Системы сбора энергии |
Более подробную информацию о передовых материалах можно найти в Stanford Advanced Materials (SAM).
Применение пьезомагнетизма
Пьезомагнетизм наблюдается в некоторых материалах, таких как некоторые ферриты и композиты, и находит разнообразное применение, в том числе:
- Магнитные датчики: пьезомагнитные материалы могут использоваться для обнаружения механических напряжений, вибраций или изменений давления. Они используются в различных датчиках, таких как датчики давления, акселерометры и датчики силы.
- Сбор энергии: пьезомагнитные материалы могут преобразовывать механическое напряжение в электрическую энергию. Это делает их полезными для систем сбора энергии, особенно в средах, где механическая энергия в избытке, например, в автомобильной или промышленной промышленности.
- Приводы: В сочетании с другими материалами пьезомагнетизм может использоваться в актуаторах, которые реагируют на механическое напряжение, создавая магнитное поле. Эти приводы полезны в таких приложениях, как точное позиционирование и микроэлектромеханические системы (MEMS).
- Магнитоупругие материалы: пьезомагнитные материалы могут быть включены в магнитоупругие системы, где они улучшают свойства материалов, соединяя механические и магнитные реакции. Эти материалы находят применение в таких областях, как демпфирование вибраций и шумоподавление.
- Медицинская визуализация: пьезомагнитные материалы могут быть использованы в биомедицинских устройствах, где они могут улучшить технологии визуализации, такие как МРТ (магнитно-резонансная томография), обеспечивая дополнительные изменения намагниченности в ответ на механическую деформацию.
- Мониторинг состояния конструкций: Интегрируя пьезомагнитные материалы в инфраструктуру, например, мосты или здания, они могут отслеживать механические напряжения и предоставлять данные о состоянии конструкции в режиме реального времени, помогая обнаружить повреждения или износ на ранней стадии.
- Магнитное охлаждение: пьезомагнетизм может применяться в магнитном охлаждении, когда намагниченность материала изменяется под воздействием напряжения, обеспечивая охлаждение без использования традиционных хладагентов.
Часто задаваемые вопросы
В чем разница между пьезомагнетизмом и пьезоэлектричеством?
Пьезомагнетизм подразумевает изменение магнитных свойств под действием механического напряжения, в то время как пьезоэлектричество относится к генерации электрического заряда в ответ на механическую деформацию.
Все ли магнитные материалы могут проявлять пьезомагнетизм?
Нет, пьезомагнитные эффекты проявляются только в определенных материалах со специфической кристаллической структурой и магнитным упорядочением.
Как измеряется пьезомагнетизм?
Обычно его измеряют с помощью магнитометров, чтобы обнаружить изменения в магнитных полях при приложении механического напряжения.
Каковы основные проблемы использования пьезомагнитных материалов?
К числу проблем относятся нехватка материалов с сильным пьезомагнитным откликом и интеграция этих материалов в практические устройства.
Существуют ли коммерческие продукты, использующие пьезомагнетизм?
Да, пьезомагнитные материалы используются в специализированных датчиках и приводах, особенно в областях, требующих высокой чувствительности к механическим изменениям.
