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.
The Barkhausen effect is a name given to the noise in the magnetic output of a ferromagnet when the magnetizing force applied to it is changed. Discovered by German physicist Heinrich Barkhausen in 1919, it is caused by rapid changes of size of magnetic domains (similarly magnetically oriented atoms in ferromagnetic materials). Barkhausen's work in acoustics and magnetism led to the discovery, which became the main piece of experimental evidence supporting the domain theory of ferromagnetism proposed in 1906 by Pierre Ernest Weiss. The Barkhausen effect is a series of sudden changes in the size and orientation of ferromagnetic domains, or microscopic clusters of aligned atomic magnets (spins), that occurs during a continuous process of magnetization or demagnetization. The Barkhausen effect offered direct evidence for the existence of ferromagnetic domains, which previously had been postulated theoretically. Heinrich Barkhausen discovered that a slow, smooth increase of a magnetic field applied to a piece of ferromagnetic material, such as iron, causes it to become magnetized, not continuously but in minute steps.
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.