Эффект Баркгаузена
Эффект Баркгаузена — это название шума на выходе магнитного поля ферромагнетика , когда приложенная к нему сила намагничивания изменяется. Открытый немецким физиком Генрихом Баркхаузеном в 1919 году, он вызван быстрым изменением размеров магнитных доменов (аналогично магнитно-ориентированным атомам в ферромагнитных материалах).
Работы Баркгаузена в области акустики и магнетизма привели к открытию, которое стало основным экспериментальным свидетельством, подтверждающим доменную теорию ферромагнетизма, предложенную в 1906 году Пьером-Эрнестом Вайсом . Эффект Баркгаузена — это серия внезапных изменений размера и ориентации ферромагнитных доменов или микроскопических кластеров выровненных атомных магнитов ( спинов ), которые происходят во время непрерывного процесса намагничивания или размагничивания. Эффект Баркгаузена стал прямым доказательством существования ферромагнитных доменов, которые ранее постулировались теоретически. Генрих Баркгаузен обнаружил, что медленное и плавное увеличение магнитного поля, приложенного к куску ферромагнитного материала, например железа, заставляет его намагничиваться не непрерывно, а с небольшими шагами.
Шум Баркгаузена
[ редактировать ]Когда внешнее намагничивающее поле через кусок ферромагнитного материала изменяется, например, путем перемещения магнита стержню или от него к железному , намагниченность материала изменяется серией прерывистых изменений, вызывая «скачки» магнитного потока через железо. Их можно обнаружить, намотав катушку провода на перекладину, прикрепленную к усилителю и громкоговорителю. Внезапные изменения намагниченности материала вызывают импульсы тока в катушке, которые при усилении производят звук в громкоговорителе . При этом издается потрескивающий звук, который можно сравнить с разворачивающейся конфетой, рисовыми крисписами или звуком дровяного костра. Этот звук, впервые открытый немецким физиком Генрихом Баркгаузеном , называется шумом Баркгаузена . Подобные эффекты можно наблюдать, применяя только механические напряжения (например, изгиб) к материалу, помещенному в детекторную катушку.
Эти скачки намагниченности вызваны дискретными изменениями размера или вращения ферромагнитных доменов. Домены меняют размер за счет перемещения доменных стенок внутри кристаллической решетки в ответ на изменения магнитного поля, за счет процесса изменения спина диполей возле стенки, чтобы выровняться со спинами в соседнем домене. В идеальной кристаллической решетке это может быть непрерывным процессом, но в реальных кристаллах локальные дефекты решетки, такие как примесные атомы или дислокации в структуре, образуют временные барьеры для изменения спина, в результате чего доменная стенка зависает на поверхности кристалла. дефект. Когда изменение магнитного поля становится достаточно сильным, чтобы преодолеть локальный энергетический барьер на дефекте, это заставляет группу атомов сразу изменить свой спин, поскольку доменная стенка «пролетает» мимо дефекта. Это внезапное изменение намагниченности вызывает кратковременное изменение магнитного потока через стержень, который воспринимается катушкой как «щелчок» в наушнике.
Потери энергии из-за перемещения доменных стенок через эти дефекты ответственны за кривую гистерезиса ферромагнитных материалов. Ферромагнитные материалы с высокой коэрцитивной силой часто имеют больше таких дефектов, поэтому они производят больше шума Баркгаузена при данном изменении магнитного потока, в то время как материалы с низкой коэрцитивной силой, такие как пластины трансформатора из кремниевой стали, обрабатываются для устранения дефектов, поэтому они производят мало шума Баркгаузена. .
Практическое использование
[ редактировать ]
Величина шума Баркгаузена для данного материала связана с количеством примесей, кристаллических дислокаций и т. д. и может быть хорошим показателем механических свойств такого материала. Следовательно, шум Баркгаузена может быть использован как метод неразрушающей оценки деградации механических свойств магнитных материалов, подвергающихся циклическим механическим напряжениям (например, при трубопроводном транспорте ) или частицам высокой энергии (например, ядерный реактор ) или материалам, таким как высокопрочные стали, которые могут быть повреждены при шлифовании. Принципиальная схема простой установки неразрушающего контроля для этой цели показана справа.
Шум Баркгаузена также может указывать на физическое повреждение структуры тонкой пленки, вызванное различными процессами нанопроизводства, такими как реактивное ионное травление или использование ионного фрезерного станка . [1]
Эффект Виганда является макроскопическим расширением эффекта Баркгаузена. [2] поскольку специальная обработка проволоки Виганда заставляет проволоку макроскопически действовать как один большой магнитный домен. Многочисленные небольшие домены с высокой коэрцитивной силой во внешней оболочке проволоки Виганда лавинообразно переключаются, вызывая быстрое изменение магнитного поля в результате эффекта Виганда.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Фукумото, Ёсиюки; Камидзё (февраль 2002 г.). «Влияние глубины фрезерования рисунка перехода на магнитные свойства и текучесть в магнитных туннельных переходах». Япония. Дж. Прил. Физ . 41 (2Б): Л183–Л185. Бибкод : 2002JaJAP..41L.183F . дои : 10.1143/jjap.41.l183 . S2CID 120747376 .
- ^ Лиен, Хун-Лин; Чанг, Джен-Юань (Джеймс) (2 июня 2021 г.). Новое применение эффекта Виганда для генерации опорного сигнала в системе линейного позиционирования . 30-я конференция ASME 2021 по системам хранения и обработки информации. Американское общество инженеров-механиков. дои : 10.1115/isps2021-65264 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]
- Эффект Баркгаузена Видео, демонстрирующее эффект
- Шум Баркгаузена, мониторинг горения и дефектов термообработки при шлифовании. Архивировано 22 марта 2014 г. на Wayback Machine.
- Что такое шум Баркгаузена