磁致伸缩

磁致伸缩（参见电致伸缩）是磁性材料的一种特性，会导致它们在磁化过程中改变形状或尺寸。 由于施加的磁场，材料磁化强度的变化会改变磁致伸缩应变，直到达到其饱和值 λ。 詹姆斯·焦耳 (James Joule) 于 1842 年在观察铁样本时首次发现了这种效应。

由于易受影响的铁磁芯中的摩擦加热，这种效应会导致能量损失。 这种效应也是变压器发出低沉嗡嗡声的原因，交流电振荡会产生不断变化的磁场。

在内部，铁磁材料具有被分成畴的结构，每个畴是均匀磁化的区域。 当施加磁场时，畴之间的边界移动并且畴旋转；这两种影响都会导致材料尺寸发生变化。 材料磁畴的变化导致材料尺寸变化的原因是磁晶各向异性的结果；在一个方向上磁化晶体材料比在另一个方向上需要更多的能量。如果以与易磁化轴成一定角度的方式将磁场施加到材料上，材料将倾向于重新排列其结构，以便易磁化轴与磁场对齐，从而最 大限度地减少系统的自由能。 由于不同的晶体方向与不同的长度相关，因此这种效应会在材料中引起应变。

当材料受到机械应力时，材料的磁化率（对施加场的响应）发生变化，这种相互影响称为维拉里效应。其他两种效应与磁致伸缩有关：Matteucci 效应是磁致伸缩材料在受到扭矩时磁化率的螺旋各向异性的产生，Wiedemann 效应是这些材料在施加螺旋磁场时发生扭曲。

维拉里反转是当暴露于大约 40 kA/m 的磁场时，铁的磁致伸缩符号从正变为负。

在磁化时，磁性材料会经历很小的体积变化：10−6 的数量级。

与通量密度一样，磁致伸缩也表现出与磁场强度的滞后现象。 可以使用 Jiles-Atherton 模型重现此磁滞回线（称为蜻蜓回线）的形状。

磁致伸缩材料可以将磁能转化为动能，反之亦然，用于制造执行器和传感器。 该属性可以通过磁致伸缩系数 λ 来量化，它可以是正的也可以是负的，并且被定义为随着材料的磁化强度从零增加到饱和值而长度的分数变化。 这种效果是造成熟悉的电嗡嗡声 (Listen (help·info)) 的原因，可以在变压器和大功率电气设备附近听到。

钴在 60 微应变下表现出纯元素中最 大的室温磁致伸缩。 在合金中，Terfenol-D（Ter 代表铽，Fe 代表铁，NOL 代表海军军械实验室，D 代表镝）是已知的最高磁致伸缩合金。Terfenol-D, TbxDy1-xFe2, 展品约 2,000 室温下在 160 kA/m (2 kOe) 磁场中的微应变，是最常用的工程磁致伸缩材料。

Galfenol，FexGa1-x，和 Alfer，FexAl1-x 是较新的合金，在较低的应用场 (~200 Oe) 下表现出 200-400 微应变，并且具有比脆性 Terfenol-D 更高的机械性能。这两种合金都具有 <100> 用于磁致伸缩的简单轴，并为传感器和执行器应用展示了足够的延展性。

另一种非常常见的磁致伸缩复合材料是非晶合金 Fe81Si3.5B13.5 C2，商品名为 Metglas 2605SC。 这种材料的有利特性是其高饱和磁致伸缩常数 λ，约为 20 微应变或更多，加上低于 1 kA/m（达到磁饱和）的低磁各向异性场强 HA。Metglas 2605SC 还表现出非常强的 ΔE 效应，使有效杨氏模量降低高达 80% 左右。 这有助于构建节能的磁性 MEMS。