Magnetostriktion

Magnetostriktion

Magnetostriktion ist die Deformation magnetischer (insbesondere ferromagnetischer) Stoffe infolge eines angelegten magnetischen Feldes. Dabei erfährt der Körper bei konstantem Volumen eine elastische Längenänderung. Als Besonderheit, z. B. bei Invar-Legierungen, gibt es auch die Möglichkeit der Volumenmagnetostriktion, bei der das Volumen veränderlich ist.

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

Prinzip

Legt man an einen Ferromagneten 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).^[1] Durch ein magnetisches Wechselfeld wird jeder ferromagnetische Stoff, beispielsweise der Eisenkern eines Transformators, zu mechanischen Schwingungen angeregt.

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, oder auch das bekannte „Netzbrummen“ (In Europa 100 Hz) durch den Betrieb von Transformatoren oder Drosseln am 50-Hz-Netz auftritt. Die bekannte weichmagnetische kristalline Legierung Permalloy, Ni₈₁Fe₁₉, erfüllt die gewünschten Bedingungen. Noch besser sind amorphe Eisen-Legierungen.

Anwendungen und Begriffe

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

Volumenmagnetostriktion ist die Volumenänderung bei gleicher Gestalt.

Joule-Magnetostriktion ist die Gestaltsänderung bei gleichem Volumen. Sie ist normalerweise viel größer als die Volumenmagnetostriktion.

Ein linearer Aktor, der mit Magnetostriktion arbeitet, ist der Wurmmotor. Magnetblasenspeicher nutzen Magnetostriktion zur Datenspeicherung.

Inverse Magnetostriktion ist die Änderung der Magnetisierung durch mechanische Spannungen.

Es gibt magnetoelastische Sensoren, welche den inversen Effekt beispielsweise für die Messung von Zug-, Druckkraft sowie Torsion nutzen.

Joule-Magnetostriktion

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 $\lambda_\|$ definiert:

$\frac{\Delta l}{l_0}=\lambda_\|.$

Da das Umklappen der magnetischen Momente das Volumen erhält, gilt senkrecht zum Feld näherungsweise:

$\lambda_\bot=-\frac{1}{2}\lambda_\|.$

Magnetostriktive Konstanten bekannter Materialien sind in der folgenden Tabelle aufgeführt. Die Daten stammen aus ^[2] und ^[3].

Material	$\lambda_\|$ [10-6]	Curietemperatur TC [°C]
Fe	-14	770
Ni	-50	358
Co	-93	1120
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

• Elektrostriktion
• Magnetismus

Literatur

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

Einzelnachweise

1. ↑ H. Janocha: Aktoren. Springer Verlag, Berlin 2006, ISBN 3-540-54707-X.
2. ↑ Dapino, M. J.: On magnetostrictive materials and their use in adaptive structures. Structural Engineering and Mechanics 17(3-4) (2004), S. 303–329.
3. ↑ Trémolet de Lacheisserie, E.: Magnetostriction - Theory and Applications of Magnetoelasticity. CRC Press, Boca Raton, 1993.