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[[Datei:Magnetostriction by Zureks.gif|mini|Magnetostriktion]]

'''Magnetostriktion''' ist die Deformation magnetischer (insbesondere [[Ferromagnetismus|ferromagnetischer]]) Stoffe infolge eines angelegten [[Magnetismus|magnetischen]] Feldes. Dabei erfährt der Körper bei konstantem Volumen eine [[Elastizität (Physik)|elastische]] Längenänderung (''Joule-Magnetostriktion'').

Als Besonderheit, z. B. bei [[Invar]]-Legierungen, gibt es auch die Möglichkeit der ''Volumen-Magnetostriktion'', bei der das Volumen veränderlich ist; sie ist normalerweise wesentlich kleiner als die Joule-Magnetostriktion.

[[Quantenmechanik|Quantenmechanische]] Ursache des Phänomens (wie auch der zugrundeliegenden [[Magnetische Anisotropie|magnetischen Anisotropie]]) ist die [[Spin-Bahn-Wechselwirkung]].

== Geschichte ==
Erstmals entdeckt von [[Carlo Matteucci|Matteucci]] und [[James Prescott Joule|Joule]] (1847)<ref>{{Literatur |Autor=J.P. Joule |Titel=XVII. On the effects of magnetism upon the dimensions of iron and steel bars |Sammelwerk=The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science |Band=30 |Nummer=199 |Datum=1847-02 |ISSN=1941-5966 |Seiten=76–87 |DOI=10.1080/14786444708645656}}</ref> und eingehend untersucht von [[Emilio Villari|Villari]] (1865) und [[Gustav Heinrich Wiedemann|Wiedemann]], begann die Anwendung der Magnetoelastizität in der Magnetostriktion während des [[Zweiter Weltkrieg|Zweiten Weltkriegs]] in einigen Sonaranwendungen. 1975 wurde der erste magnetostriktive lineare Positionssensor von Jacob Tellerman erfunden. Tellerman hatte die Idee, mit Hilfe eines Dauermagneten eine Ultraschallwelle an einer bestimmten Stelle entlang des Wellenleiters zu erzeugen. Die Zeit, die vergeht, bis der Ultraschallimpuls ein Ende des Wellenleiters erreicht, würde dann die Position des Magneten anzeigen.<ref>{{Patent| Land=US| V-Nr=2995736| Code=A| Titel=Analog to digital transducer| A-Datum=1960-02-08| V-Datum=1961-08-08| Anmelder=Bosch Arma Corp| Erfinder=Jacob Tellerman}}</ref> So erfand er einen neuen industriellen Sensor und gründete das Unternehmen Temposonics.<ref>{{Patent| Land=US| V-Nr=4298861| Code=A| Titel=Integrated ultrasonic magnetic encoder| A-Datum=1978-07-10| V-Datum=1981-11-03| Anmelder=Temposonics Inc| Erfinder=Jacob Tellerman}}</ref>

== Prinzip ==
Legt man an ferromagnetisches Material ein äußeres magnetisches Feld an, so richten sich die [[Weiss-Bezirk|Weissschen Bezirke]] gleich aus. Durch das Drehen der [[Magnetischer Dipol|Dipole]] ändert sich die Länge eines Stabes im Bereich von ca. 10 bis 30 µm/m (hochmagnetostriktive Werkstoffe: bis 2 mm/m).<ref>H. Janocha: ''Aktoren.'' Springer Verlag, Berlin 2006, ISBN 3-540-54707-X.</ref> Durch ein magnetisches [[Wechselfeld]] wird jeder ferromagnetische Stoff, beispielsweise der [[Eisenkern]] eines [[Transformator]]s, zu mechanischen Schwingungen angeregt. Durch Magnetostriktion an ferromagnetischen Materialien (z. B. in Spulenkernen) in sich ändernden Magnetfeldern kann es zu Geräuschen kommen – ähnlich wie es durch [[Elektrostriktion]] in einem sich stark ändernden [[Elektrisches Feld|elektrischen Feld]] an einem [[Dielektrikum]] (z. B. in einem [[Kondensator (Elektrotechnik)|Kondensator]]) zu Geräuschen kommen kann.<ref>Elektronik in der Fahrzeugtechnik, S. 175, [http://books.google.de/books?id=WNcFXLYCzBUC&lpg=PA175&ots=aKJFW_y5FP&dq=Elektrostriktion%20kondensator%20ger%C3%A4usch&hl=de&pg=PA175#v=onepage&q=Elektrostriktion%20kondensator%20ger%C3%A4usch%20magnetostriktion&f=false Google Books]</ref> Diese physikalische Reaktion eines ferromagnetischen Materials beruht auf dem Vorhandensein von magnetischen Bewegungen, im Wesentlichen einer Ansammlung winziger Dauermagneten oder magnetischen Bereichen. Jeder Bereich besteht aus vielen Atomen. Wenn ein Material nicht magnetisiert ist, sind die Bereiche zufällig angeordnet. Wird das Material magnetisiert, werden die Bereiche so ausgerichtet, dass ihre Achsen ungefähr parallel zueinander verlaufen, und die Größe oder Form wird verändert. Die Wechselwirkung eines äußeren Magnetfeldes mit den Bereichen verursacht ebenfalls den magnetostriktiven Effekt. Die Anordnung der Bereiche und damit das Ausmaß des Effekts kann durch die Wahl der [[Legierung]], das thermische Glühen, die Kaltbearbeitung und die Stärke des Magnetfelds beeinflusst werden.<ref>{{Literatur |Autor=Richard M. Bozorth |Titel=Ferromagnetism |Verlag=D. VAN NOSTRAND COMPANY, Inc. |Ort=Toronto / New York / London |Datum=1951}}</ref>

Für [[Induktivität (Bauelement)|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, und andererseits durch den Betrieb von Transformatoren oder [[Drossel (Elektrotechnik)|Drosseln]] am 50-Hz-Netz das [[Netzbrummen]] mit einer Frequenz von 100 Hz in Europa auftritt. Die [[Weichmagnetische Werkstoffe|weichmagnetische]] ''kristalline'' Legierung [[Permalloy]], Ni81Fe19, erfüllt die gewünschten Bedingungen. Noch besser sind [[amorph]]e Eisen-Legierungen.

== Anwendungen ==
Verwendet wurde die Magnetostriktion schon früher, z. B. um [[Ultraschall]] zu erzeugen. Dabei wird ein Stab aus Material mit hoher Magnetostriktion (z. B. [[Nickel]]) in einer [[Spule (Elektrotechnik)|Spule]] mit [[Wechselstrom]] ummagnetisiert.

Auch in modernen [[Warensicherungsetikett#Akustomagnetisches Verfahren|Warensicherungsetiketten]] wird dieser Effekt genutzt.

Ein linearer [[Aktor]], der mit Magnetostriktion arbeitet, ist der [[Wurmmotor]].<ref>{{Internetquelle |autor=Hartmut Janocha |url=http://books.google.com/books?isbn=3486589156 |titel=Unkonventionelle Aktoren: Eine Einführung |hrsg=Oldenbourg Verlag |abruf=2012-09-13}}</ref> [[Magnetblasenspeicher]] nutzen Magnetostriktion zur Datenspeicherung.

Es gibt [[magnetoelastisch]]e [[Sensor]]en, welche die inverse Magnetostriktion, d. h. die Änderung der [[Magnetisierung]] durch [[Spannung (Mechanik)|mechanische Spannungen]], beispielsweise für die Messung von Zug- und Druckkraft sowie Torsion nutzen.

== Magnetostriktive Konstante ==
Bei der Joule-Magnetostriktion wird ein Körper unter dem Einfluss eines [[Magnetische Feldstärke|magnetischen H-Feldes]] [[Dehnung|gedehnt]]. Mit Hilfe der relativen Längenänderung parallel zum Feld wird die (feldstärkeabhängige) magnetostriktive Konstante <math>\lambda_\|</math> definiert:

:<math>\lambda_\| = \frac{\Delta l}{l_0},</math>
wobei <math>{\Delta l}</math> als Länge unter Einfluss des Magnetfeldes - Länge ohne Einfluss berechnet wird.

Da das Umklappen der [[Magnetisches Moment|magnetischen Momente]] das Volumen erhält, gilt senkrecht zum Feld (vgl. auch [[Querdehnungszahl]]):

:<math>\lambda_\bot \approx -\frac{1}{2}\lambda_\|.</math>

{| class="wikitable sortable" style="text-align:right"
|+Magnetostriktive Konstanten bekannter Materialien<ref>Dapino, M. J.: ''On magnetostrictive materials and their use in adaptive structures.'' Structural Engineering and Mechanics 17(3-4) (2004), S. 303–329.</ref><ref>Trémolet de Lacheisserie, E.: ''Magnetostriction - Theory and Applications of Magnetoelasticity.'' CRC Press, Boca Raton, 1993.</ref>
! Material !! <math>\lambda_\|</math> [10−6] !! [[Curietemperatur]] TC [°C]
|-
|-
|style="text-align:left"| [[Eisen|Fe]]
| −14
| 770
|-
|style="text-align:left"| [[Nickel|Ni]]
| −50
| 358
|-
|style="text-align:left"| [[Kobalt|Co]]
| −93
| 1120
|-
|style="text-align:left"| [[Terbium|Tb]] (−196 °C)
| 3000
| −48
|-
|style="text-align:left"| [[Dysprosium|Dy]] (−196 °C)
| 6000
| −184
|-
|style="text-align:left"| TbFe2
| 1753
| 424
|-
|style="text-align:left"| Tb0,3Dy0,7Fe2 (Terfenol-D)
| 1620
| 380
|-
|style="text-align:left"| SmFe2
| −1560
| 403
|-
|style="text-align:left"| Samfenol-D
| −1125
||
|-
|style="text-align:left"| CoFe2O4 ([[Einkristall]])
| 600...900
| 520
|-
|style="text-align:left"| CoFe2O4 ([[polykristallin]])
| 230
| 520
|-
|style="text-align:left"| Metglass 2605SC
| 60
| 370
|}

== Siehe auch ==
* [[Magnetostriktiver Wegaufnehmer]]
* [[Magnetostriktion-Drehbasisgerät]]

== Literatur ==
* William Fuller Brown, Jr.: ''Magnetoelastic Interactions.'' Springer, Berlin 1966.

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Magnetismus]]
[[Kategorie:James Prescott Joule]]

Magnetostriktion - Versionsgeschichte

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