Barkhauseni efekt
Mis on Barkhauseni efekt?
Barkhauseni efekti avastas 20. sajandi alguses füüsik Heinrich Barkhausen ning efekt kannab tema nime. Barkhauseni efekt kirjeldab ferromagnetilistes materjalides magnetiseerituse katkendlikku muutust, mille põhjustavad mikroskoopilised, järsud muutused niinimetatud Weiss’i domeenide magnetiseerimissuunas. Nendes domeenides on olemasolevate elektronspinnide magnetilised momendid (noolekestega tähistatud) omavahel paralleelselt joondunud (vt joonis 1). Need järsud muutused, tuntud kui Barkhauseni hüpped, on katses kuuldavad kõlaris praksuva helina ning tekitavad mõõdetavaid magnetilisi mürasignaale, mida nimetatakse ka Barkhauseni müraks (vt joonis 2).Sisukord
Barkhauseni efektil on olulised rakendused materjaliteaduses ja purustamata materjalikatsetuses, sest see annab teavet materjali mikrostruktuuri ja pingeseisundite kohta.
Barkhauseni hüpete ja Barkhauseni müra analüüs võimaldab hinnata materjali väsimust ja tuvastada mikropraod, mis on tööstuses kriitiliste komponentide seireks hädavajalik.
Joonis 1: Barkhauseni efekt tekib nn Weissi domeenide piiridel.
Neid piire nimetatakse ka Blochi seinteks (vasakul pidevad jooned, paremal katkendjooned).
Abbildung 1 illustreerib Barkhauseni efekti: elektronspinnide suund eri Weißsi piirkondade vahel muutub Blochi seina ületamisel hüppeliselt (vt Abbildung 1).
Seda efekti nimetatakse Barkhauseni efektiks.
In ferromagnetsetes
materjalides esineb põhimõtteliselt mõne kümnendiku millimeetri suurusi Weißsi piirkondi, kus aine elektronspinnid on omavahel paralleelselt joondunud.
Ent erinevate kõrvuti asuvate Weißsi piirkondade elektronspinnid ei ole paralleelselt joondunud.
Seetõttu ei ole demagnetiseeritud
ferromagnetilises aines mõõdetavat magnetvälja.
Ühe Weißsi piirkonna elektronspinnid on suunatud vastupidiselt teise Weißsi piirkonna elektronspinnidele ja kompenseerivad seega vastastikku oma magnetilise toime.
Eriti välise magnetvälja mõjul muutuvad nüüd elektronspinnide suunad ühe Weißsi piirkonna sees. Kui toimub selline spinnisuundade kollektiivne ümberpaiknemine nagu üleminekul Abbildung 1 vasakult paremale, nimetatakse seda Barkhauseni-hüppeks. Seda saab siis väljastpoolt magnetiga esile kutsuda.
Mis on Barkhauseni hüpe?
Barkhauseni hüpped on püsivaid muutusi magneti magnetiseerituses, kus mikroskoopilise piirkonna, niinimetatud Weiße domeeni, magnetiseerituse suund muutub järsult.
Barkhauseni hüpe on kõigi Elektronenspins
samaaegne suuna muutus ühes Weißschen Bezirk.
Siiski saab Magnetisierung
abil saavutada, et ferromagnetiline aine näib ka väliselt magnetiline.
Põhjuseks on see, et magnetiseerimisel joondatakse materjalis elektronispinnid suures osas paralleelselt.
Erinevad Weiße domeenid sulanduvad seejuures omavahel üheks suureks domeeniks, millel on paralleelselt joondatud elektronispinnid.
Selleks peavad elektronispinnid oma suunda muutma.
Tugeva Austauschwechselwirkung
tõttu üksikute elektronispinnide vahel ei toimu see aga iga spinni puhul eraldi, vaid ühe Weiße domeeni sees muutub magnetvälja mõjul kõigi selle domeeni elektronispinnide suund hetkega.
Kõik elektronispinnid muudavad oma suunda ühiselt kollektiivse "hüppena".
Seda nimetatakse Barkhauseni hüppeks.
Barkhauseni hüpped on seega seotud ferromagnetilises aines toimuva järsu magnetiseerituse muutusega.
Katsed Barkhauseni hüpete tuvastamiseks
Kuigi Weiss’i domeenid, mis siinjuures oma suunda muudavad, on väga väikesed (sageli vaid mõned µm suurused), saab tillukeste elektronspinide järsu kollektiivse käitumise katsega tuvastada (vt joonis 2).
Joonis 2: Katse näitab seadet Barkhauseni-hüpete kuuldavaks muutmiseks.
Spiraalis asub ferromagnetiline aine.
Ferromagnetilise materjali Weiss’i piirkonnad ei ole omavahel paralleelselt joondunud ja materjal on demagnetiseeritud.
Magnetiseerimisel välise lähenenud püsimagneti abil muutub Weiss’i piirkondade suund järsult.
Seetõttu muutub spiraalis oleva materjali magnetiseeritus järsult ja tekib imeväike vool (mis on proportsionaalne selle Weiss’i piirkonna suurusega, mille suund muutus), mida saab mõõta.
Lühikese vooluimpulsi võib näiteks anda võimendi kaudu valjuhääldisse, mis hakkab iga hüppe korral vaikselt „krõksuma“.
Signaali saab mikrofoniga täiendavalt võimendada.
Selles katses kasutatakse ära seda, et ettevaatliku magnetiseerimise korral teevad üksikud Weiss’i domeenid järjestikku Barkhauseni hüppeid.
Ferromagnetilist proovi magnetiseeritakse ettevaatlikult püsimagnetiga
(vt joonis 2).
Selle tulemusena „klapuvad“ Weiss’i domeenide spinnid ümber, mis tekitab lühiajalise magnetimpulsi.
Kui materjal mähkida mähisesse, indutseeritakse selle magnetimpulsi mõjul mähisesse lühiajaliselt elektrivool.
Seda vooluimpulssi saab võimendada ning muuta kas osuti hälbe kaudu nähtavaks või valjuhääldi abil kuuldavaks.
Barkhauseni müra
Barkhauseni müra on nähtus, mis iseloomustab mikromagnetilisi muutusi ferromagnetilistes materjalides diskreetsete hüpetena magnetiseerituses. See müra on domeeniseinte ümberjoondumise otsene tulemus ja pakub väärtuslikke teadmisi materjaliomaduste, nagu mikrostruktuur ja pingeseisundid, kohta. Seda kasutatakse purustamata katsetamisel materjaliväsimuse ja mikropraode tuvastamiseks, mis on tööstuse ohutuskriitilistes rakendustes eriti oluline.
Autor:
Dr. Franz-Josef Schmitt
Dr. Franz-Josef Schmitt on füüsik ja Martin Lutheri nimelise Halle-Wittenbergi ülikooli füüsika edasijõudnute praktikumi teaduslik juht. Aastatel 2011–2019 töötas ta Tehnikaülikoolis ning juhtis mitmeid õppeprojekte ja keemia projektlaborit. Tema teadustöö keskmes on ajalahutusega fluorestsents-spektroskoopia bioloogiliselt aktiivsetel makromolekulidel. Lisaks on ta Sensoik Technologies GmbH tegevjuht.
Dr. Franz-Josef Schmitt
Dr. Franz-Josef Schmitt on füüsik ja Martin Lutheri nimelise Halle-Wittenbergi ülikooli füüsika edasijõudnute praktikumi teaduslik juht. Aastatel 2011–2019 töötas ta Tehnikaülikoolis ning juhtis mitmeid õppeprojekte ja keemia projektlaborit. Tema teadustöö keskmes on ajalahutusega fluorestsents-spektroskoopia bioloogiliselt aktiivsetel makromolekulidel. Lisaks on ta Sensoik Technologies GmbH tegevjuht.
Kogu kompendiumi sisu (tekstid, fotod, illustratsioonid jms) autoriõigus kuulub autorile Franz-Josef Schmittile. Teose ainuõigused kuuluvad Webcraft GmbH-le (kui supermagnete.ee haldajale). Ilma Webcraft GmbH-i selgesõnalise loata ei tohi sisu kopeerida ega muul viisil kasutada.
© 2008–2026 Webcraft GmbH
© 2008–2026 Webcraft GmbH
