Эффект Баркгаузена - Barkhausen effect

О возникновении устойчивых колебаний в контуре положительной обратной связи см. Критерий устойчивости Баркгаузена.
Копия оригинального аппарата Баркгаузена, состоящая из железного стержня с катушкой из проволоки вокруг него. (центр) с катушкой, подключенной через вакуумную трубку усилитель мощности (осталось) к наушнику (не показаны). Когда подковообразный магнит (правильно) вращается, магнитное поле через утюг меняется с одного направления на другое, и в наушниках слышен потрескивающий шум Баркгаузена.
Кривая намагничивания (J) или плотности потока (B) как функция напряженности магнитного поля (H) в ферромагнитном материале. На вставке прыжки Баркгаузена.
Происхождение шума Баркгаузена: как доменная стена движется, он зацепляется за дефект в кристаллическая решетка, затем "щелкает" мимо него, создавая внезапное изменение магнитного поля.

В Эффект Баркгаузена это название, данное шуму в магнитном выходе ферромагнетик при изменении приложенной к нему намагничивающей силы. Открыл немецкий физик Генрих Баркгаузен в 1919 г. это вызвано быстрыми изменениями размеров магнитные домены (аналогично магнитно ориентированные атомы в ферромагнитных материалах).

Баркгаузена в акустика и магнетизм привело к открытию, которое стало основным экспериментальным доказательством, подтверждающим домен теория ферромагнетизма, предложенная в 1906 г. Пьер-Эрнест Вайс. Эффект Баркгаузена представляет собой серию внезапных изменений размера и ориентации ферромагнитных доменов или микроскопических кластеров выровненных атомных магнитов (спины ), что происходит в непрерывном процессе намагничивание или размагничивание. Эффект Баркгаузена явился прямым доказательством существования ферромагнитных доменов, что ранее предполагалось теоретически. Генрих Баркгаузен обнаружил, что медленное, плавное увеличение магнитного поля, приложенного к куску ферромагнитного материала, такого как железо, заставляет его намагничиваться не непрерывно, а с небольшими шагами.

Шум Баркгаузена

Когда внешнее намагничивающее поле через кусок ферромагнитный материал изменяется, например, перемещая магнит к или от утюг бар, намагниченность материала изменяется серией прерывистых изменений, вызывая «скачки» магнитного потока через железо. Их можно обнаружить, намотав катушку провода вокруг шины, прикрепленной к усилителю и громкоговорителю. Внезапные изменения намагниченности материала создают в катушке импульсы тока, которые при усилении производят звук в громкоговоритель. Это издает потрескивающий звук, который сравнивают с разворачиваемой конфетой, Рис Криспис, или звук пожара. Этот звук, впервые обнаруженный немецким физиком Генрих Баркгаузен, называется Шум Баркгаузена. Подобные эффекты можно наблюдать, прикладывая только механические напряжения (например, изгиб) к материалу, помещенному в катушку обнаружения.

Эти скачки намагниченности вызваны дискретными изменениями размера или вращением ферромагнитных доменов. Домены изменяют размер из-за того, что доменные стенки перемещаются внутри кристаллической решетки в ответ на изменения магнитного поля, за счет процесса изменения спина диполей вблизи стенки для совмещения со спинами в соседнем домене. В идеальной кристаллической решетке это может быть непрерывный процесс, но в реальных кристаллах локальные дефекты в решетке, такие как примесные атомы или дислокации в структуре, образуют временные барьеры для изменения спина, заставляя доменную стенку зависать на дефект. Когда изменение магнитного поля становится достаточно сильным, чтобы преодолеть локальный энергетический барьер на дефекте, это приводит к тому, что группа атомов сразу меняет спин, так как доменная стенка «проскакивает» мимо дефекта. Это внезапное изменение намагниченности вызывает кратковременное изменение магнитного потока через стержень, которое улавливается катушкой как "щелчок" в наушнике.

Потери энергии из-за движения доменных стенок через эти дефекты ответственны за гистерезис кривая ферромагнитных материалов. Ферромагнитные материалы с высоким принуждение часто таких дефектов больше, поэтому они производят больше шума Баркгаузена для данного изменения магнитного потока, в то время как материалы с низкой коэрцитивной силой, такие как пластины трансформатора из кремнистой стали, обрабатываются для устранения дефектов, поэтому они производят мало шума Баркгаузена.

Практическое использование

Установка для неразрушающего контроля ферромагнитных материалов: зеленый - намагничивание ярмо, красный - индуктивный датчик, серый - тестируемый образец.

Количество шума Баркгаузена для данного материала связано с количеством примесей, кристаллов вывихи и т. д. и может быть хорошим показателем механические свойства из такого материала. Следовательно, шум Баркгаузена можно использовать как метод неразрушающая оценка деградации механических свойств в магнитных материалах, подверженных циклическим механическим напряжениям (например, в трубопроводный транспорт ) или частицы высоких энергий (например. ядерного реактора ) или материалы, такие как высокопрочные стали, которые могут быть повреждены при шлифовании. Принципиальная схема простой неразрушающей установки для этой цели показана справа.

Шум Баркгаузена также может указывать на физическое повреждение тонкая пленка структура из-за различных нанопроизводство такие процессы как реактивное ионное травление или используя ионный фрезерный станок.[1]

использованная литература

  1. ^ Фукумото, Ёсиюки; Камидзё (февраль 2002 г.). «Влияние глубины фрезерования рисунка перехода на магнитные свойства и выход в магнитных туннельных переходах». Jpn. J. Appl. Phys. 41: L183 – L185. Bibcode:2002JaJAP..41L.183F. Дои:10.1143 / jjap.41.l183.

внешние ссылки