Barkhauseneffect
Wat is het Barkhauseneffect?
Het Barkhauseneffect werd in het begin van de 20e eeuw ontdekt door de natuurkundige Heinrich Barkhausen en naar hem vernoemd. Het Barkhauseneffect beschrijft hierbij de plotselinge verandering van de magnetisatie in ferromagnetische materialen, veroorzaakt door microscopische, sprongsgewijze veranderingen van de magnetisatierichting in ferromagnetische materialen, veroorzaakt door microscopische, sprongsgewijze verandering van de magnetisatie van zogenaamde gebieden van Weiss, waarin de magnetische momenten van de voorhanden elektronenspins (met pijlen aangegeven) evenwijdig aan elkaar zijn uitgelijnd (zie afbeelding 1). Deze sprongsgewijze veranderingen, die bekend staan als Barkhausensprongen, kunnen in een experiment hoorbaar worden gemaakt en wekken meetbare magnetische ruissignalen op, die ook de Barkhausen ruis worden genoemd (zie afbeelding 2).Inhoudsopgave
Het Barkhauseneffect vindt belangrijke toepassingen in de materiaalwetenschap en niet-destructieve materiaaltests, aangezien het inzichten in de microstructuur en de spanningstoestanden van het materiaal biedt.
Dankzij de analyse van Barkhausensprongen en van de Barkhausenruis kan men de materiaalmoeheid beoordelen en microscheurtjes herkennen, hetgeen essentieel is voor de bewaking van kritische componenten in de industrie.
Afbeelding 1: Het Barkhauseneffect treedt op aan de grenzen van zogenaamde gebieden van Weiss.
Deze grenzen worden ook Blochwanden genoemd (doorgaande lijnen links resp.
stippellijnen rechts).
Afbeelding 1 verduidelijkt het Barkhauseneffect: De uitlijning van de elektronenspins tussen verschillende gebieden van Weiss verandert zijn richting bij het overschrijden van de Blochwand met een sprong (zie afbeelding 1).
Dit effect heet het Barkhauseneffect.
In ferromagnetische
materialen zijn er altijd gebieden van Weiss van een paar tiendes van een millimeter grootte, waarin de elektronenspins van de materie parallel aan elkaar zijn uitgelijnd.
De elektronenspins in verschillende naburige gebieden van Weiss zijn echter niet parallel uitgelijnd.
Daarom is in een gedemagnetiseerde,
ferromagnetische stof ook geen magneetveld
meetbaar.
De elektronenspins van een gebied van Weiss staan in tegenstelling tot de elektronenspins van een ander gebied van Weiss en ze compenseren dus onderling hun magnetische werking.
Vooral onder de invloed van een extern magneetveld veranderen nu de uitlijningen van de elektronenspins binnen een gebied van Weiss. Wanneer zo'n collectief verschuiven van de spinuitlijning optreedt, dan heeft men het over een Barkhausensprong. Dit kan door de magneeet van buiten worden geïnduceerd.
Wat is de Barkhausensprong?
Barkhausensprongen zijn sprongsgewijze veranderingen van de magnetisatie van een magneet, waarbij de richting van de magnetisatie van een microscopisch gebied, het zogenaamde gebied van Weiss, met een sprong verandert.
Een Barkhausensprong is de gelijktijdige verandering van de uitlijning van alle elektronenspins
in een gebied van Weiss.
Met behulp van magnetisatie kan echter worden bereikt, dat een ferromagnetische stof ook naar buiten als magnetisch in verschijning treedt.
De reden hiervoor is, dat bij de magnetisatie de elektronenspins alle verregaand parallel worden uitgelijnd.
Verschillende gebieden van Weiss versmelten daarbij onderling tot een gemeenschappelijk groot gebied met parallel uitgelijnde elektronenspins.
De elektronenspins moeten hiervoor hun uitlijning veranderen.
Vanwege de sterke uitwisselingsinteractie
tussen de afzonderlijke elektronenspins gebeurt dit echter niet voor elke spin afzonderlijk, maar in een gebied van Weiss verandert de uitlijning van alle elektronenspins in dit gebied onder de invloed van een magneetveld meteen.
Alle elektronenspins veranderen samen van oriëntatie in de vorm van een collectieve "sprong".
Dit staat bekend als een Barkhausensprong.
Barkhausensprongen zijn dus verbonden met een sprongsgewijze verandering van de magnetisatie in een ferromagnetische stof.
Experiment om Barkhausensprongen aan te tonen
Hoewel de gebieden van Weiss, die hierbij hun uitlijning veranderen, erg klein zijn (vaak slechte een paar µm groot), kan het sprongsgewijze collectieve gedrag van de mini elektronenspins worden aangetoond met een experiment (zie afbeelding 2).
Afbeelding 2: Het experiment toont een installatie om Barkhausensprongen hoorbaar te maken.
In een spoel bevindt zich een ferromagnetische stof.
De gebieden van Weiss van het ferromagnetische materiaal zijn niet parallel aan elkaar uitgelijnd en het materiaal is niet magnetisch.
Bij het magnetisatieproces door een van buiten in de buurt gebrachte permanente magneet treedt een sprongsgewijze richtingsverandering van de gebieden van Weiss op.
Daardoor verandert de magnetisatie van het materiaal in de spoel sprongsgewijs en een klein stroompje (dat proportioneel is tot de grootte van het gebied van Weiss is, dat zijn richting heeft veranderd) wordt meetbaar.
Men kan de korte stroompuls bijvoorbeeld door een versterker naar een luidspreker doorleiden, die dan bij elke sprong zachtjes begint te "knakken".
Het signaal kan nog verder worden versterkt met een microfoon.
Bij dit experiment wordt gebruik gemaakt van het feit, dat bij voorzichtige magnetisatie afzonderlijke gebieden van Weiss achter elkaar Barkhausensprongen doormaken.
Met behulp van een permanente magneet
wordt een ferromagnetisch proefstuk voorzichtig gemagnetiseerd (zie afbeelding 2).
Dit resulteert in een "omklappen" van de spins van gebieden van Weiss op, hetgeen een korte magnetische puls veroorzaakt.
Wanneer men het materiaal in een spoel opwikkelt, dan wordt door deze magnetische puls kort een stroom in de spoel opgewekt.
Deze stroompuls kan worden versterkt en dan via het uitslaan van een wijzer zichtbaar worden gemaakt of via een luidspreker hoorbaar worden gemaakt.
Barkhausenruis
De Barkhausenruis is een fenomeen, dat kenmerkend is voor de micromagnetische veranderingen in ferromagnetische materialen door discrete sprongen in de magnetisatie. Deze ruis is een direct gevolg van de hernieuwde uitlijning van domeinwanden en biedt waardevolle inzichten in de materiaaleigenschappen zoals de microstructuur en spanningstoestanden. Hij wordt in niet-destructieve tests gebruik om materiaalmoeheid en microscheurtjes te identificeren, hetgeen vooral in veiligheidskritische industriële toepassingen van betekenis is.
Auteur:
Dr. Franz-Josef Schmitt
Dr. Franz-Josef Schmitt is natuurkundige en de wetenschappelijke leider van het natuurkundepracticum voor gevorderden aan de Martin-Luther-Universiteit Halle Wittenberg. Hij werkte van 2011 tot 2019 aan de Technische Universiteit en leidde diverse onderwijsprojecten en het scheikundeprojectlab. Zijn onderzoek richt zich op tijdgeresolveerde fluorescentiespectroscopie van biologisch actieve macromoleculen. Hij is ook algemeen directeur van Sensoik Technologies GmbH.
Dr. Franz-Josef Schmitt
Dr. Franz-Josef Schmitt is natuurkundige en de wetenschappelijke leider van het natuurkundepracticum voor gevorderden aan de Martin-Luther-Universiteit Halle Wittenberg. Hij werkte van 2011 tot 2019 aan de Technische Universiteit en leidde diverse onderwijsprojecten en het scheikundeprojectlab. Zijn onderzoek richt zich op tijdgeresolveerde fluorescentiespectroscopie van biologisch actieve macromoleculen. Hij is ook algemeen directeur van Sensoik Technologies GmbH.
Het auteursrecht op de complete inhoud van het compendium (teksten, foto's, afbeeldingen etc.) ligt bij de auteur Franz-Josef Schmitt. Het exclusieve gebruiksrecht van het werk ligt Webcraft GmbH, Zwitserland (als exploitant van supermagnete.fi). Zonder uitdrukkelijke toestemming van Webcraft GmbH mag de inhoud noch worden gekopieerd, noch op andere wijze worden gebruikt. Uw suggesties ter verbetering of uw lof aangaande het compendium stuurt u alstublieft per e-mail aan
[email protected]
© 2008-2024 Webcraft GmbH
© 2008-2024 Webcraft GmbH