Введение

возникновение стабильных колебаний в положительной обратной связи. Эффект Баркхаузена – это название, данное шуму в магнитном выходе ферромагнетика при изменении приложенной к нему магнитной силы. Открытый немецким физиком Генрихом Баркхаузеном в 1919 году, он обусловлен резкими изменениями размеров магнитных доменов (атомов, ориентированных в одном направлении в ферромагнитных материалах). Работа Баркхаузена в области акустики и магнетизма привела к этому открытию, которое стало основным экспериментальным подтверждением доменной теории ферромагнетизма, предложенной Пьером Эрнестом Вайсом в 1906 году. Эффект Баркхаузена представляет собой серию внезапных изменений в размере и ориентации ферромагнитных доменов, или микроскопических скоплений выровненных атомных магнитов (спинов), происходящих в процессе непрерывного намагничивания или размагничивания. Эффект Баркхаузена предоставил прямое доказательство существования ферромагнитных доменов, которые ранее существовали лишь в теоретических предположениях. Генрих Баркхаузен обнаружил, что медленное и плавное увеличение магнитного поля, приложенного к куску ферромагнитного материала, например, железу, вызывает его намагничивание не непрерывно, а дискретными шагами.

Шум Баркхаузена

Когда внешнее магнитное поле, приложенное к куску ферромагнитного материала, изменяется, например, при перемещении магнита к железному стержню или от него, намагниченность материала изменяется серией скачкообразных изменений, вызывая "скачки" в магнитном потоке через железо. Эти скачки можно обнаружить, обмотав вокруг стержня катушку провода, подключенную к усилителю и громкоговорителю. Внезапные переходы в намагниченности материала генерируют импульсы тока в катушке, которые, при усилении, создают звук в громкоговорителе. Этот звук напоминает треск, который сравнивают с разворачиванием конфет, хрустом хлопьев или потрескиванием дров в камине. Этот звук, впервые обнаруженный немецким физиком Генрихом Баркхаузеном, называется шумом Баркхаузена. Подобные эффекты можно наблюдать, воздействуя на материал, помещенный в измерительную катушку, только механическими напряжениями (например, изгибом). Эти скачки намагниченности обусловлены дискретными изменениями размера или ориентации ферромагнитных доменов. Домены изменяют свой размер за счет перемещения доменных границ внутри кристаллической решетки в ответ на изменения магнитного поля, в процессе которого диполи вблизи границы изменяют направление спина, 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 атомы примесей или дислокации в структуре, создают временные барьеры для изменения спина, вызывая "застревание" доменной границы на дефекте. Когда изменение магнитного поля становится достаточно сильным, чтобы преодолеть локальный энергетический барьер у дефекта, группа атомов одновременно переворачивает свой спин, когда доменная граница "преодолевает" дефект. Это внезапное изменение намагниченности вызывает кратковременное изменение магнитного потока через стержень, которое катушка улавливает как "щелчок" в наушниках. Потеря энергии, возникающая при движении доменных границ через эти дефекты, является причиной кривой гистерезиса ферромагнитных материалов. Ферромагнитные материалы с высокой коэрцитивной силой часто содержат больше таких дефектов, поэтому они генерируют больше шума Баркхаузена при заданном изменении магнитного потока, в то время как материалы с низкой коэрцитивной силой, такие как ламинации трансформаторов из кремниевой стали, подвергаются обработке для устранения дефектов, поэтому они генерируют мало шума Баркхаузена.

Практическое применение

Количество шума Баркхаузена для данного материала связано с количеством примесей, кристаллических дислокаций и т.д. и может служить хорошим индикатором механических свойств материала. Поэтому шум Баркхаузена может использоваться как метод неразрушающего контроля деградации механических свойств магнитных материалов, подвергающихся циклическим механическим напряжениям (например, в трубопроводном транспорте), воздействию высокоэнергетических частиц (например, в ядерном реакторе) или материалов, таких как высокопрочные стали, которые могут повреждаться при шлифовке. Схематическая диаграмма простой установки для неразрушающего контроля с этой целью показана справа. Шум Баркхаузена также может указывать на физические повреждения тонкопленочных структур, возникающие в результате различных процессов нанопроизводства, таких как реактивное ионное травление или использование ионного распылителя. Эффект Виганда является макроскопическим проявлением эффекта Баркхаузена, поскольку специальная обработка провода Виганда приводит к тому, что он макроскопически ведет себя как единый большой магнитный домен. Многочисленные небольшие домены с высокой коэрцитивной силой во внешней оболочке провода Виганда переключаются лавинообразно, генерируя быстрое изменение магнитного поля, характерное для эффекта Виганда.