MLS-1磁致伸縮演示儀

一、磁致伸縮現(xiàn)象

大家知道物質(zhì)有熱脹冷縮的現(xiàn)象，除了加熱外，磁場(chǎng)和電場(chǎng)也會(huì)導(dǎo)致物體尺寸的伸長(zhǎng)或縮短。鐵磁性物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下，其尺寸伸長(zhǎng)（或縮短），去掉外磁場(chǎng)后，其又恢復(fù)原來(lái)的長(zhǎng)度，這種現(xiàn)象稱(chēng)為磁致伸縮現(xiàn)象（或效應(yīng)）。另外有些物質(zhì)（多數(shù)是金屬氧化物）在電場(chǎng)作用下，其尺寸也伸長(zhǎng)（或縮短），去掉外磁場(chǎng)后又恢復(fù)其原來(lái)的尺寸，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電致伸縮現(xiàn)象。磁致伸縮效應(yīng)可用磁致伸縮系數(shù)（或應(yīng)變）λ來(lái)描述，λ＝（L_H—L₀）／L₀，L₀為原來(lái)的長(zhǎng)度，L_H 為物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下伸長(zhǎng)（或縮短）后的長(zhǎng)度。一般鐵磁性物質(zhì)的λ很小，約百萬(wàn)分之一，通常用 ppm代表。例如金屬鎳（Ni）的λ約40ppm。

二、技術(shù)上的應(yīng)用

由于磁致伸縮材料在磁場(chǎng)作用下，其長(zhǎng)度發(fā)生變化，可發(fā)生位移而做功或在交變磁場(chǎng)作用可發(fā)生反復(fù)伸張與縮短，從而產(chǎn)生振動(dòng)或聲波，這種材料可將電磁能（或電磁信息）轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或聲能（或機(jī)械位移信息或聲信息），相反也可以將機(jī)械能（或機(jī)械位移與信息）。換成電磁能（或電磁信息），它是重要的能量與信息轉(zhuǎn)換功能材料。它在聲納的水聲換能器技術(shù)，電聲換能器技術(shù)、海洋探測(cè)與開(kāi)發(fā)技術(shù)、微位移驅(qū)動(dòng)、減振與防振、減噪與防噪系統(tǒng)、智能機(jī)翼、機(jī)器人、自動(dòng)化技術(shù)、燃油噴射技術(shù)、閥門(mén)、泵、波動(dòng)采油等高技術(shù)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

三、實(shí)驗(yàn)原理

在各類(lèi)磁介質(zhì)中zui重要的是以鐵為代表的一類(lèi)磁性很強(qiáng)的物質(zhì)，它們叫做鐵磁質(zhì)，在純化學(xué)元素中，除鐵以外，還有過(guò)渡族中其他元素，如鎳、鈷等都具有鐵磁性，鐵磁質(zhì)的磁化特性可在M-H曲線(xiàn)中表示出來(lái)；在逐漸增加磁化場(chǎng)H情況下，當(dāng)H增大到某一值后，磁化強(qiáng)度M就幾乎不再變了，這時(shí)鐵磁介質(zhì)的磁化已趨近飽和，飽和時(shí)的磁化強(qiáng)度稱(chēng)普飽和磁化強(qiáng)度。

近代科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，鐵磁質(zhì)的磁性主要來(lái)源于電子自旋磁矩，在沒(méi)有外磁場(chǎng)的條件下，鐵磁質(zhì)中電子自旋磁矩可以在小范圍內(nèi)“自發(fā)地”排列起來(lái)，形成一個(gè)小的“自發(fā)磁化區(qū)”這種自發(fā)磁化區(qū)域叫做磁疇。（體積大約可估計(jì)到10^-6mm³）

通常在未磁化的鐵磁質(zhì)中，各磁疇內(nèi)的自發(fā)磁化方各不相同，在宏觀(guān)上不顯示出磁性來(lái)。在外加磁場(chǎng)后將顯示出宏觀(guān)的磁性，此過(guò)程通常稱(chēng)為技術(shù)磁化。

鐵磁質(zhì)磁疇中磁化方向的改變會(huì)引起介質(zhì)中晶格間距的改變，從而伴隨著磁化過(guò)程，鐵磁體會(huì)發(fā)生長(zhǎng)度和體積的改變，這種現(xiàn)象叫磁致伸縮。

磁致伸縮可以是正值也可以是負(fù)值，例如鎳的樣品在磁化時(shí)縮小，稱(chēng)為負(fù)的磁致伸縮；鈷鋼的樣品在磁化時(shí)增大，稱(chēng)為正的磁致伸縮。

磁致伸縮效應(yīng)的值一般都非常小，例如鎳棒磁化到飽和時(shí)只改變其本身長(zhǎng)度的十萬(wàn)分之幾。鎳的Δ ，這里 是棒的原始長(zhǎng)度， 是棒在磁化時(shí)的縮短量。