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Barkhausen-Effekte

Barkhausen-Sprünge, Barkhausen-Rauschen.

1) magnetischer Barkhausen-Effekt: Die Magnetisierung M einer ferro- oder ferrimagnetischen Probe ändert sich bei quasistatischer Variation des magnetischen Feldes teils ebenfalls quasistatisch, teils aber sprunghaft (Abb. 1). Die sprunghaften Änderungen induzieren in einer die Probe umgebenden Spule elektrische Spannungsimpulse, die mit einem Lautsprecher als Knacken oder Prasseln hörbar gemacht werden können. Für eine quantitative Bestimmung der sprunghaften Änderungen des magnetischen Moments muss die Zeitkonstante der Spule gross gegen die Sprungdauer sein. Die 1917 von H. Barkhausen entdeckten Sprünge galten als erster experimenteller Beweis für die Existenz Weiss'scher Bezirke. In neuester Zeit gewann der Barkhausen-Effekt als ein Beispiel für selbstorganisiertes kritisches Verhalten an Bedeutung.

In massiven ferromagnetischen Proben, die mehrere Weiss'sche Bezirke enthalten, entstehen Barkhausen-Sprünge bei irreversiblen Wandverschiebungen. Die Energie E einer Wand zwischen zwei Bereichen mit verschiedener Magnetisierungsrichtung hängt wegen der Existenz magnetisch aktiver Gitterstörungen und wegen der von M abhängigen Streufeldenergie in unregelmässiger Weise vom Ort x der Wand ab (Abb. 2). Die Ortsableitung dE/dx der gesamten Wandenergie ist gleich der rücktreibenden Kraft, gegen welche das magnetische Feld bei Verschiebung der Wand Arbeit leisten muss. In Abb. 3 bewegt sich die Wand daher auf den dick gezeichneten Teilen des Kraftgebirges reversibel (d2E/dx2 > 0), längs der gestrichelten Wege irrevesibel (d2E/dx2 < 0). Die reversiblen Bewegungen entsprechen den horizontalen oder leicht ansteigenden Teilen der stufenförmigen Magnetisierungskurve (Abb. 1), die irreversiblen den vertikalen Stufen. Auf den reversiblen Strecken ist die Wandgeschwindigkeit proportional zur Feldänderungsgeschwindigkeit, auf den irreversiblen kann sie sehr viel grösser werden. Hier ist die Wand durch Wirbelströme, Fehlstellenrelaxation oder Spinrelaxation gedämpft und kann Geschwindigkeiten bis zu einigen 100m/s erreichen.

In magnetischen Einbereichsteilchen gilt für Ummagnetisierungsvorgänge ebenfalls der in Abb. 2 und 3 erläuterte Mechanismus. Doch ist E hier nicht notwendig die Energie einer Wand, sondern zum Beispiel bei homogenen Drehprozessen die magnetische Energie des ganzen Teilchens als Funktion einer Winkelkoordinate der Magnetisierung. Die sog. grossen Barkhausen-Sprünge in Substanzen mit positiver Magnetostriktion beobachtet man in makroskopischen Proben, deren leichte Magnetisierungsrichtung parallel zu einer mechanischen Zugspannung liegt. Ist diese stark genug, so erfolgt die Ummagnetisierung durch eine einzige, die ganze Probe durchquerende Wand. Die Magnetisierungskurve hat dann die Form einer Rechteckschleife.

2) Antiferromagnetischer Barkhausen-Effekt: Auch in Antiferromagnetika gibt es irreversible Wandverschiebungen und irreversible Drehprozesse, die sprunghaft ablaufen, d. h. sehr viel schneller als die pauschale Richtungsänderung der alternierenden Magnetisierung der gesamten Probe. Diese Sprünge sind aber nicht mit einer Variation des magnetischen Moments verbunden. Daher sind sie schwer zu messen und noch kaum untersucht. Man kann antiferromagnetische Barkhausen-Sprünge durch die dabei auftretende Änderung der mechanischen Spannungsverteilung in der Probe nachweisen. Das kann entweder magnetostriktiv, mit Dehnungsmessstreifen oder, bei lichtdurchlässigen Substanzen, durch Messung der Änderung der Brechzahl geschehen.

3) Elektrischer Barkhausen-Effekt: Hier handelt es sich um eine zum magnetischen Barkhausen-Effekt analoge Erscheinung in ferro- und antiferroelektrischen Stoffen. Bei der sprunghaften Bewegung der Wände zwischen zwei ferroelektrischen Domänen entstehen Sprünge im elektrischen Moment der Probe. Befindet diese sich in einem Kondensator, so lassen sich die Änderungen mit einer empfindlichen Verstärkeranordnung nachweisen. Auch elektrische Barkhausen-Sprünge kann man aufgrund der mit ihnen verbundenen Variation der mechanischen Spannungsverteilung in der Probe entweder elektrostriktiv oder durch Messung der Brechzahländerung nachweisen. [KS]

Barkhausen-Effekte

Barkhausen-Effekte 1: Sprunghafte Änderung der Magnetisierung beim magnetischen Barkhausen-Effekt.

Barkhausen-Effekte

Barkhausen-Effekte 2: Energie E einer Wand zwischen zwei Bereichen mit verschiedener Magnetisierung in Abhängigkeit vom Ort x.

Barkhausen-Effekte

Barkhausen-Effekte 3: Ortsableitung der in Abb. 2 dargestellten Wandenergie.

 

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