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Influence of mechanical stress on magnetization of iron-cobalt
Emanuel Pfneisl
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physik
Betreuer*in
Dieter Süss
DOI
10.25365/thesis.59915
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-25116.22697.835153-4
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Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Magnetostriktive Eigenschaften von Materialien gewinnen in vielen Anwendungsbereichen zunehmend
an Bedeutung. Vielfach aufgrund der Tatsache, dass magnetostriktive Effekte genutzt werden
können um indirekt andere Größen zu messen.
Dies ist zum Beispiel bei sogenannten amorphen, magnetostriktiven Dehnungsmessstreifen der
Fall: Hier werden indirekt lokale Dehnungen gemessen, indem die magnetische Antwort des
Streifens gemessen wird. Über die Messung der magnetischen Antwort kann bei Kenntnis der
magnetostriktiven Eigenschaften des Materials auf die lokale Dehnung zurückgeschlossen werden.
Umgekehrt gibt es auch Anwendungen bei denen die Magnetostriktion einen unerwünschten
Nebeneffekt darstellt, der die Messung verfälscht. Dies ist zum Beispiel bei GMR-Sensoren
der Fall: Hier wird durch Magnetostriktion die Magnetisierungskurve in der weichmagnetischen
Schicht (Free Layer) verändert. Die Magnetisierung des Free Layers relativ zur hartmagnetischen
Schicht (Fixed Layer) ist damit beeinflusst und das Messresultat des Sensors verfälscht.
Ziel dieser Arbeit ist die Auswirkung von Magnetostriktion auf beliebige Materialien mit Hilfe der
FEM-Software Magnum.fe berechnen zu können.
Hierzu wird eine FEM-Formulierung zur Lösung von Elastizitätsproblemen implementiert und anschließend ein Landau-Lifschitz-Gilbert (LLG) Term für den Effekt der Magnetostriktion in kubischen
Materialien hergeleitet. Als Anwendungsfall wird die spannungsabhängige Magnetisierungskurve
von monokristallinem und polykristallinem Eisen-Kobalt unter dem Einfluss verschiedener Spannungszustände untersucht.
Je nach Orientierung des monokristallinem Eisen-Kobalt relativ zu der angelegten externen Spannung
fällt der Effekt der Magnetostriktion unterschiedlich stark aus. Für eine externe Spannung
von 0,2 sigma_c, angelegt auf die Probe, konnte eine Anstieg von 5% in der magnetischen Suszeptibilität festgestellt werden, wenn der Einkristall parallel zur externen Spannung ausgerichtet ist.
Die gleiche externe Spannung führt zu einem Anstieg von 64% in der magnetischen Suszeptibilität, wenn die Raumdiagonale des Einkristalls parallel zur externen Spannung ausgerichtet ist.
Für den Fall des polykristallinem Eisen-Kobalt wurde, bei der erwähnten charakteristischen Spannung,
ein Anstieg von 41% in der magnetischen Suszeptibilität festgestellt.
Abstract
(Englisch)
Magnetostrictive effects are increasingly important in a wide range of applications. There are
applications were magnetostrictive effects are welcomed and actually used in order to indirectly
measure other quantities. This is the case for strain gauges where amourphous magnetostrictive
ribbons are used to indirectly measure a local strain by measuring the magnetic response signal
which is directly related to the inner stress of the ribbon through the magneto-elastic coupling
known as magnetostriction.
Contrarily, there are also applications were magnetostriction is an undesired side-effect. This is
the case for GMR sensors where magnetostrictive effects alter the magnetization curve of the
soft-magnetic layer (free layer). This results in a distorted magnetization of the free layer relative
to the fixed layer and therefore measurement of the magnetic field will not be correct.
In the following work a FEM based linear elasticity solver is implemented to solve related elastic
problems. Subsequently a Landau-Lifschitz-Gilbert (LLG) term for magnetostriction in cubic materials
is derived and implemented. Using the micromagnetic FEM-based software magnum.fe
the stress-dependent magnetization curves of monocrystalline and polycrystalline iron-cobalt for
different orientations of external magnetic field relative to external stress are computed. Depending
on the orientation of the iron-cobalt single crystal relative to the external stresses different
magnitudes of magnetostriction are observed. A specifc external stress of 0,2 sigma_c applied on
the specimen leads to an increase in susceptibility of 5% if the single crystal is oriented parallel
to the external stress. On the contrary the same external stress leads to an increase of
64% in susceptibility if the stress is aligned along the body diagonal of the single crystal. For the
inhomogeneous case of randomly oriented grains an increase of 41% in susceptibility was observed.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
magnetostriction FEM iron-cobalt magnetization curve hysteresis villari-effect magnum.fe
Schlagwörter
(Deutsch)
Magnetostriktion FEM Eisen-Kobalt Magnetisierungskurve Hysterese Villari-Effekt Magnum.fe
Autor*innen
Emanuel Pfneisl
Haupttitel (Englisch)
Influence of mechanical stress on magnetization of iron-cobalt
Paralleltitel (Deutsch)
Einfluss von mechanischer Spannung auf die Magnetisierung von Eisen-Kobalt
Publikationsjahr
2019
Umfangsangabe
38 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Dieter Süss
AC Nummer
AC15724559
Utheses ID
52931
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |