磁歪

磁歪は、磁性材料が磁化の過程で形状や寸法を変化させる性質です。印加された磁場による材料の磁化の変化は、飽和値λに達するまで磁歪歪みを変化させます。この効果は、1842年にジェームズ・ジュールが鉄のサンプルを観察した際に初めて確認されました。^{[ 1 ]}

磁歪は磁場に作用する現象であり、電気歪は電場に作用する現象である。

磁歪は、影響を受けやすい強磁性体のコアにおける摩擦熱によるエネルギー損失を引き起こし、交流電流が変化する磁場を生成する変圧器から聞こえる低音のハム音の原因でもある。^{[ 2 ]}

強磁性体は内部的にドメインに分割された構造を持ち、各ドメインは均一な磁化領域です。磁場が印加されると、ドメイン間の境界が移動し、ドメインが回転します。これらの効果はいずれも材料の寸法変化を引き起こします。材料の磁気ドメインの変化が材料の寸法変化につながる理由は、磁気結晶異方性によるものです。結晶材料をある方向に磁化するには、別の方向に磁化するよりも多くのエネルギーが必要です。磁場が磁化容易軸に対してある角度で材料に印加されると、材料はシステムの自由エネルギーを最小化するために、磁化容易軸が磁場と一致するように構造を再配置する傾向があります。異なる結晶方向は異なる長さに関連付けられているため、この効果は材料に歪みを誘発します。 ^{[ 3 ]}

機械的応力を受けた際に材料の磁化率（印加磁場に対する応答）が変化するという逆効果は、ビラリ効果と呼ばれます。磁歪に関連する他の2つの効果は、マテウッチ効果（トルクを受けた磁歪材料の磁化率にらせん状の異方性が生じる効果）と、ヴィーデマン効果（らせん状の磁場を印加した際にこれらの材料がねじれる効果）です。

ビラリ反転とは、鉄の磁歪が約40 kA/mの磁場にさらされたときに、正から負に符号が変化する現象のことである。 

^{磁性体は磁化によって体積変化を起こしますが、その変化は小さく、 10⁻⁶}オーダーです。

磁束密度と同様に、磁歪も磁化磁場の強さに対してヒステリシスを示す。このヒステリシスループの形状（「トンボループ」と呼ばれる）は、Jiles-Athertonモデルを使用して再現できる。^{[ 4 ]}

磁歪材料は磁気エネルギーを運動エネルギーに変換したり、その逆を行ったりすることができ、アクチュエータやセンサーの製造に使用されます。この特性は磁歪係数λによって定量化でき、λは正または負の値を取り、材料の磁化がゼロから飽和値まで増加するときの長さの相対的な変化として定義されます。この効果は、おなじみの「電気ハム音」の原因です。聞く^ⓘ )変圧器や高出力電気機器の近くで聞こえることがあります

コバルトは、純元素としては室温で最大の磁歪を示し、その値は60マイクロストレインです。合金の中では、テルフェノール-D（テルビウムはTer、鉄はFe 、海軍兵器研究所はNOL 、ジスプロシウムはD ）が、既知の中で最も高い磁歪を示します。テルフェノール-D（Tb _x Dy _{1− x} Fe _2）は、室温で160 kA/m（2 kOe）の磁場において約2,000マイクロストレインを示し、最も一般的に使用されている工学用磁歪材料です。^{[ 5 ]}ガルフェノール（Fe _x Ga _{1− x}）とアルファ（Fe _x Al _{1− x}）は、より低い印加磁場（約200 Oe）で200～400マイクロストレインを示し、脆いテルフェノール-Dよりも機械的特性が向上した新しい合金です。これらの合金はいずれも磁歪の容易軸が<100>であり、センサーやアクチュエータの用途に十分な延性を示す。^{[ 6 ]}

もう1つの非常に一般的な磁歪複合材料は、 Metglas 2605SCという商品名で知られる非晶質合金Fe ₈₁ Si _3.5 B _13.5 C ₂です。この材料の好ましい特性は、約20マイクロストレイン以上の高い飽和磁歪定数λと、 1 kA/m未満（磁気飽和に達する）の低い磁気異方性磁場強度H _{Aです。Metglas 2605SC}はまた、バルク状態で実効ヤング率が最大約80%減少する非常に強いΔE効果を示します。これは、エネルギー効率の高い磁気MEMSの構築に役立ちます。

コバルトフェライト、CoFe ₂ O ₄ (CoO·Fe ₂ O ₃ ) は、高い飽和磁歪 (約 200 ppm) のおかげで、センサーやアクチュエータなどの磁歪用途にも主に使用されています。^{[ 7 ]}希土類元素がない場合、テルフェノール-Dの良い代替品となります。^{[ 8 ]}さらに、磁気一軸異方性を誘起することで、その磁歪特性を調整できます。^{[ 9 ]これは、磁気アニーリング、 [ 10 ]}磁場アシスト圧縮、^{[ 11 ]}または一軸圧力下での反応によって行うことができます。 ^{[ 12 ]}この最後のソリューションは、スパークプラズマ焼結の使用により、超高速 (20 分) であるという利点があります。

第二次世界大戦初期のソナー変換器では、磁歪材料としてニッケルが使用されていた。ニッケルの不足を緩和するため、日本海軍はアルペルム系の鉄・アルミニウム合金を使用した。

磁歪合金の機械的挙動

微細構造が弾性ひずみ合金に及ぼす影響

単結晶合金は優れた微小歪みを示すが、ほとんどの金属の異方性機械的特性により降伏しやすい。微小歪みに対する優先結晶粒の面積被覆率が高い多結晶合金では、磁歪合金の機械的特性（延性）が大幅に改善されることが観察されている。ガルフェノールおよびアルフェノール薄板では、磁歪中に磁気ドメインの整列のための容易軸が 2 つある {011} 結晶粒の異常成長を、特定の冶金処理工程によって促進する。これは、インゴットの初期冷却鋳造中に、ホウ化物種^{[ 13 ]}や炭化ニオブ ( NbC ) ^{[ 14 ]}などの粒子を添加することによって達成できる。

多結晶合金の場合、既知の方向性微小ひずみ測定から得られる磁歪λの確立された式は次のとおりです。^{[ 15 ]}

λ _s = 1/5(2λ ₁₀₀ +3λ ₁₁₁ )

その後の熱間圧延および再結晶工程では、粒子強化が起こり、粒子が粒界に「ピン止め」力を導入し、 H ₂ S雰囲気下での焼鈍工程における通常の（確率的な）粒成長を阻害します。そのため、単結晶のようなテクスチャ（約 90% {011} 粒被覆率）が得られ、磁気ドメインの整列への干渉が減り、半導体ひずみゲージで測定される多結晶合金で達成可能な微小ひずみが増加します。^{[ 16 ]}これらの表面テクスチャは、電子後方散乱回折（EBSD）または関連する回折技術を使用して可視化できます。

ドメイン配列を誘発するための圧縮応力

アクチュエータ用途では、磁気モーメントの最大回転が可能な限り最高の磁歪出力につながります。これは、応力アニーリングや磁場アニーリングなどの加工技術によって実現できます。ただし、応力が座屈限界以下であれば、機械的な予応力を薄いシートに適用して、アクチュエーションに垂直な方向に配向させることもできます。たとえば、最大約50 MPaの圧縮予応力を適用すると、磁歪が約90%増加することが実証されています。これは、印加応力に垂直なドメインの初期配向の「ジャンプ」と、印加応力に平行な最終配向の改善によるものと推測されています。^{[ 17 ]}

• 電子商品監視システム– 磁歪を利用して万引きを検知する
• 磁歪遅延線- 初期のコンピュータメモリの一種
• 磁歪式スピーカーとヘッドホン

• 電磁誘導音響ノイズおよび振動
  • 例：陰極線管 § 高周波可聴ノイズ
• 逆磁歪効果
• ヴィーデマン効果― 磁歪によって生じるねじり力
• 類似効果の集合に対する磁気機械効果
• 磁気熱量効果
• 電気歪み
• 圧電効果
• 圧磁力
• サウンドバグ
• FeONIC – 磁歪を利用したオーディオ製品の開発企業
• テルフェノール-D
• ガルフェノール

• 磁歪
• 「磁歪と変圧器ノイズ」（PDF） 。2006年5月10日にオリジナル（PDF）からアーカイブされました。
• 磁歪を利用したFeonic製の見えないスピーカー
• 磁歪合金メーカー：REMA-CN （2017年3月21日にWayback Machineにアーカイブ済み）