Краткие теоретические сведения. 1.1 Изучение физических основ и возможностей использования эффекта Баркгаузена в структуроскопии ферромагнитных материалов.

Цель работы

1.1 Изучение физических основ и возможностей использования эффекта Баркгаузена в структуроскопии ферромагнитных материалов.

1.2 Изучение оборудования для регистрации параметров эффекта Баркгаузена.

Краткие теоретические сведения

Наличие доменной структуры у ферромагнетика энергетически выгодно и соответствует минимуму свободной энергии. Ей определяются все процессы намагничивания и перемагничивания, в том числе и эффект Баркгаузена (ЭБ). Внешне магнитный ЭБ проявляется в скачкообразном изменении намагниченности ферромагнетика при плавном изменении намагничивающего поля. Этот эффект впервые обнаружил Г. Баркгаузен в 1917 году. Скачкообразное изменение намагниченности может происходить также при плавном изменении и других физических параметров (механические напряжения, температура). Для появления скачков Баркгаузена (СБ) необходимо, чтобы внешнее поле достигло определенной величины (поле старта).

Кривая намагничивания образца (рисунок 1) может быть условно разбита на 5 областей в соответствии с различными механизмами перемагничивания:

Рисунок 1 – Эффект Баркгаузена на кривой намагниченности

I – область начального (обратимого) намагничивания;

II – область Релея, в которой имеет место квадратичная зависимость намагниченности от поля, полученная в предположении, что ферромагнетик необратимо перемагничивается за счет скачков Баркгаузена;

III – область наибольшей дифференциальной проницаемости, которая чаще называется областью больших скачков Баркгаузена, соответствующая интенсивным необратимым смещениям междоменных стенок;

IV – область приближения к насыщению, в которой намагничивание осуществляется путем вращения вектора намагниченности М в направлении вектора магнитного поля H (СБ могут происходить вследствие анизотропии магнитных свойств при повороте вектора намагниченности);

V – область парапроцесса, в которой намагничивание осуществляется за счет дополнительной ориентации спиновых моментов отдельных электронов на направление магнитного поля и за счет некоторого изменения обменного взаимодействия.

В области III под влиянием внешних воздействий условия равновесия границ между магнитными фазами меняются и границы начинают смещаться. Это смещение будет продолжаться до тех пор, пока не установится новое равновесное состояние.

На рисунке 2 изображена схема необратимого смещения доменной границы:

Рисунок 2 – Схема необратимого смещения доменной границы

(скачок Баркгаузена)

Обратимое смещение будет происходить до тех пор, пока граница, выйдя из своего равновесного положения х = х₀ не достигнет точки х_а (или точки х_а’, при обратном направлении намагничивающего поля). При этом поле достигает некоторого определенного значения Н(х_а) = Н₀, играющего роль критическогополя. После достижения поля Н₀ граница может продолжать свое смещение без дальнейшего увеличения внешнего поля, вплоть до точки x_B. Соответствующее этому смещению границы изменение намагниченности и является скачаком Баркгаузена. При дальнейшем увеличении поля граница снова смещается обратимо вплоть до следующего более высокого максимума (в точке x_c). Переход границы из x_a в x_B - необратимый. Если после достижения x_в уменьшать величину МП, например, до значения в точке x_E, то граница не вернется в эту точку, а перейдет в точку x_F. Чтобы вернуться в точку x_E, придется произвести довольно сложную операцию перемагничивания.

Важнейшие параметры эффекта Баркгаузена:

1) величина скачка Баркгаузена.

Средний объем СБ пропорционален среднему расстоянию между дефектами. Но из-за выделения во время СБ относительно большой величины энергии полей рассеивания междоменная граница проскакивает несколько дефектов.

2) длительность скачка Баркгаузена.

Вопрос определения длительности СБ сводится к вопросу определения скорости междоменной стенки (при известной величине СБ). Движение стенки тормозится тремя механизмами: релаксацией спина, диффузией в кристаллической решетке, токами Фуко.

Для релаксации спина характерны скорости порядка 10⁵ мм/с, что неосуществимо в металлах. Диффузионный механизм торможения связан с диффузией электронов и атомов в решетке. Главный фактор торможения – это вихревые токи Фуко, особенно в металлах и их сплавах.

3) связь эффекта Баркгаузена с параметрами петли гистерезиса.

Для ферромагнетиков характерны приведенные ниже соотношения:

· с изменением коэрцитивной силы ферромагнетика Нс существенно меняется распределение скачков по полю. Чем больше Нс, тем больше поле старта скачков Нст и тем большее поле соответствует наиболее интенсивному следованию скачков;

· чем круче петля гистерезиса (больше ее прямоугольность), т. е. чем больше величина остаточной намагниченности Мr, тем больше общее число СБ.

Кроме того, можно отметить некоторые свойства квантования петли гистерезиса:

Ø несмотря на случайный характер ступенек петли, повторяемость их числа от цикла к циклу достаточно высокая;

Ø максимальная плотность СБ лежит в области коэрцитивной силы, а любое отклонение или появление нескольких максимумов свидетельствует о наличии структурных дефектов в материале;

Ø для некоторых материалов имеются протяженные участки квантованной петли гистерезиса с постоянной плотностью СБ. На таких участках приращение числа СБ прямо пропорционально приращению поля;

Ø полярность импульсов ЭДС в измерительной катушке определяет направление изменения внешнего воздействия (поля, температуры и т. д.);

Ø большая чувствительность ЭБ к приращению внешнего поля;

Ø число скачков и остаточная намагниченность линейно зависимы.

4) временные и пространственные свойства потока скачков Баркгаузена.

Перспективная область применения ЭБ:

а) контроль физико-механических и химических свойств и дефектов ферромагнетиков;

б) измерение механических величин на основе структурных изменений в материале при воздействии этих величин (измерение усилий и деформаций, толщины, прочности и сплошности антикоррозийных покрытий, напряжений в конструкциях);

в) измерение параметров движения (перемещения, скорости, ускорения и т. п.);

г) измерение магнитных и электрических величин;

д) элементы автоматики и вычислительной техники (аналого-цифровые преобразователи, датчики наличия ферромагнетиков в заданном объеме, устройства кодирования и др.).