Чтобы объяснить наблюдение Баркгаузена, нам нужно сначала немного понять о магнетизме, магнитных материалах и о том, как такие материалы намагничиваются и могут оставаться намагниченными.

Если вы когда-нибудь играли с магнитами, то знаете, что у них обычно есть северный и южный полюса, и противоположности притягиваются: северные полюса притягиваются к югу, а северные полюса отталкиваются от других северных полюсов. Магнит такой формы технически называется диполь , т. е. «два полюса». Это легче всего визуализировать и продемонстрировать с помощью прямоугольного стержневого магнита с четко обозначенными буквами N и S.

Использование терминов «Северный полюс» и «Южный полюс» не случайно; сама Земля благодаря расплавленному железу во внешнем ядре действует как гигантский стержневой магнит! Однако то, что мы называем магнитным северным полюсом Земли, на самом деле является южным полюсом стержневого магнита, на который указывают магнитные стрелки (точнее, их северные полюса).

Земля как гигантский стержневой магнит. Обратите внимание, что магнитный север (южный полюс магнита) расположен под углом к ​​истинному северному полюсу. (источник)

Обратите внимание на линии со стрелками, которые выходят из северного полюса магнита, вращаются вокруг него и снова входят через южный полюс. Эти линии представляют собой магнитных полей , создаваемых Землей. Короче говоря: магниты могут притягиваться и отталкиваться друг от друга на расстоянии, потому что они создают «силовое поле», которое простирается в космос, уменьшаясь в силе по мере удаления от магнита. Мы представляем это силовое поле набором линий со стрелками. Если бы мы поместили в это поле другой стержневой магнит, он испытал бы силу, пытающуюся выровнять его с линиями, при этом северный полюс указывал бы в направлении стрелок. Ниже приведен набросок силового поля стержневого магнита, нарисованный мной.

Это столько, сколько мы объясним как работают магниты или почему магниты делают то, что они делают; за пределами этого простого описания мы углубимся в фундаментальные законы физики, где вопросы «почему» станут философским вызовом. Вместо этого мы будем использовать это поведение стержневых магнитов в качестве модели всех магнитных процессов — с некоторыми важными изменениями, как мы увидим.

Теперь предположим, что мы рассматриваем атомную структуру куска железа, сильно намагниченного, как стержневой магнит. На самом деле, каждый атом железа по своей природе является магнитным, и его можно грубо представить как собственный крошечный стержневой магнит! Таким образом, структуру железного стержневого магнита можно представить следующим образом.

Вам может быть интересно, как все эти маленькие стержневые магниты могут быть объединены в один большой стержневой магнит. Когда северный и южный полюсы пары магнитов складываются вместе, они слабо компенсируют друг друга; результатом для нашего стержневого магнита является то, что единственные оставшиеся северный и южный полюса находятся на концах. Эта модель магнитов «атомный стержневой магнит» также предсказывает, что разделение магнита на две части не приводит к изолированным северному и южному полюсам: это приводит к двум парам полюсов.

Однако есть что-то не совсем верное в этом микроскопическом представлении о магнитах. На рисунках выше показаны наши магнитные атомы, расположенные рядом друг с другом и направленные в одном направлении. Но что произойдет, если вы попытаетесь поставить рядом два стержневых магнита, направленных в одном направлении?

Обычные магниты нельзя устойчиво расположить параллельно друг другу, но, по-видимому, «атомные магниты» могут! Если вы подозреваете, что квантовая механика как-то связана с этим, вы правы — в ферромагнитных материалах, таких как железо, два близко расположенных магнитных атома минимизируют свою так называемую обменную энергию , указывая в одном направлении. Это настолько сильно отличается от стержневых магнитов, что нам, вероятно, следует нарисовать эти атомы по-другому: вместо того, чтобы рисовать их как маленькие стержневые магниты, мы нарисуем их в виде стрелок, указывающих от Южного полюса к Северному полюсу. Таким образом, наш полностью намагниченный кусок железа имеет следующую микроскопическую картину.

Конечно, возникает еще один вопрос: если атомы железа любят выстраиваться в одном и том же магнитном направлении, почему не каждый кусок железа намагничен? Из приведенного выше наивного описания можно было бы ожидать, что железо сведет к минимуму свою общую энергию, если все его диполи будут выстроены в одном направлении, как на картинке выше, и, следовательно, каждый кусок железа будет сильным магнитом. Этого не происходит, потому что есть еще один вклад в энергию железяки. По мере того, как все больше и больше диполей выстраиваются в линию, направленные в одном направлении, они создают все более и более сильное магнитное поле. Эта энергия магнитного поля максимальна, когда все диполи выровнены в одном направлении, и минимальна, когда все диполи направлены в случайных направлениях.

Таким образом, у нас есть два основных процесса в куске железа: обменная сила, которая пытается минимизировать энергию, делая диполи параллельными, и магнитная сила, которая пытается минимизировать энергию, удерживая диполи от параллельности. В ненамагниченном куске железа эти две силы уравновешиваются и образуют компромисс: они образуют области, в которых все диполи выровнены, а разные области имеют разную ориентацию. Нестрогая картина того, как это может происходить в ненамагниченном куске железа, показана ниже.

Это приближает нас к пониманию того, как создается шипящий звук эффекта Баркгаузена — если вы забыли, что мы пытались объяснить в этот момент!

В ненамагниченном куске железа магнитный эффект всех случайно ориентированных доменов в среднем компенсируется, оставляя металл без явных магнитных свойств. Однако, если мы приложим внешнее магнитное поле, произойдет любопытная вещь: те домены, которые находятся на одной линии с полем, растут за счет тех, которые перпендикулярны или противоположны полю. Рисунок ниже, опять же нестрогий, дает представление о том, как это может выглядеть.

Границы доменов, показанные на рисунках черными линиями, называются доменными стенками . Эти доменные стенки представляют собой переходные области между различными ориентациями диполей, и когда магнитное поле прикладывается к железу или снимается с него, доменные стенки перемещаются.

Мне нравится использовать геополитическую аналогию, чтобы объяснить поведение этих доменов и доменных стен! Мы можем представить домены как разные страны на карте, а домен ограничивает границы этих стран. Когда условия благоприятны для конкретной страны (приложенное магнитное поле указывает в том же направлении), эта страна растет, поглощая своих менее благоприятных соседей!

Доменная теория ферромагнетизма была впервые разработана в 1907 году французским физиком Пьером-Эрнестом Вайсом, и в его честь магнитные домены часто называют доменами Вейсса. Размер и форма доменов сильно зависят от кристаллической структуры магнитного материала и других более тонких эффектов, связанных с ней; картинка выше предназначена просто для того, чтобы передать общую идею.

Если бы это было все научное описание ферромагнетизма, мы должны были бы ожидать, что магнитные свойства железа исчезнут, когда приложенное магнитное поле выключится: доминирующий домен сожмется, а другие домены сформируются снова, хотя и не обязательно в своей первоначальной конфигурации. . Однако если к куску железа приложить достаточно сильное магнитное поле, оно останется намагниченным даже после выключения поля, образуя постоянный магнит. Как это произошло?

Ответ заключается в том, что ни один образец железа не идеален и неизбежно содержит многочисленные дефекты. Эти дефекты могут быть небольшими включениями других материалов в железе или могут быть простыми несовершенствами кристаллической структуры самого железа. Когда доменная стенка движется мимо дефекта, она на мгновение «застревает» на нем: вокруг дефекта формируются новые мини-домены, создавая локальный минимум энергии. По мере продвижения доменной стенки эти новые домены — и сама доменная стенка — растягиваются все дальше и дальше, создавая длинные шипы, и, наконец, эти шипы отрываются от доменной стенки в резкой катастрофе атомного масштаба!

Простая иллюстрация формирования шиповидных доменов. Адаптировано из рис. 7.14 отличного текста Н. Спалдина «Магнитные материалы» (издательство Кембриджского университета, Кембридж, 2003).

Есть два важных аспекта этого «защелкивания» доменной стенки за дефектом. Во-первых, это объясняет, как железо может оставаться намагниченным после отключения приложенного поля: доменные стенки пытаются вернуться в исходное положение, но они обычно «застревают» на дефекте, оставляя металл частично намагниченным. Во-вторых, это «щелчок» приводит к крошечному всплеску магнитного поля, создаваемого металлом — и эти крошечные резкие изменения магнитного поля — это то, что мы слышим в эффекте Баркгаузена!

Как мы можем преобразовать эти крошечные колебания магнитного поля в звук? Наша катушка с проволокой использует индукцию Фарадея, о которой я подробно рассказывал в предыдущем посте. Вкратце: примерно в 1831 году блестящий экспериментатор Майкл Фарадей заметил, что изменяющееся магнитное поле индуцирует циркулирующее электрическое поле, как это грубо показано ниже.

Поскольку электрическое поле является движущей силой электрического тока, изменяющееся магнитное поле в катушке с проводом индуцирует электрический ток в этой катушке. Ток от крошечной «щелчки» доменной стенки будет крошечным, но его можно усилить с помощью простого аудиоусилителя.

На самом деле именно игра с усилителями привела Баркгаузена к его замечательному открытию. Английский перевод его статьи 1919 года* озаглавлен «Два явления, обнаруженные с помощью новых усилителей», и схема его первого эксперимента поразительно похожа на схему моего собственного прибора.

Здесь S представляет собой катушку диаметром 25 мм и 300 витков, G представляет собой гальванометр (для измерения тока), V представляет собой 10000-кратный усилитель, а T представляет собой телефонную трубку. Сам Баркгаузен, похоже, не оценил значения своего наблюдения, но другие быстро осознали его важность: эффект Баркгаузена был одним из первых окончательных доказательств в пользу доменной теории ферромагнетизма. С тех пор это явление используется для проверки более подробных теорий о поведении магнитных доменов, а также для лучшего понимания внутренней структуры ферромагнитных материалов.

Итак, вот что вы слышите, когда устанавливаете простой аппарат Баркгаузена: вы на самом деле слышите (косвенно) звук намагничивания металла в виде «скачков» стенок магнитных доменов на атомном уровне, когда они движутся к воспринимать приложенное магнитное поле. Едва ли я могу придумать другое обстоятельство, при котором нечто столь глубокое можно было бы продемонстрировать так легко — и так дешево!

И последнее: на данный момент вы можете подумать, что это обсуждение доменов и доменных стен очень абстрактно — мы говорим о вещах, которые нельзя увидеть, верно? Наоборот, со времен Баркгаузена был разработан ряд методов, позволяющих нам реально увидеть магнитные домены через микроскоп. Мой любимый пример исходит из 1958 статья** Дж. Ф. Диллона-младшего, «Наблюдение за доменами в ферримагнитных гранатах в проходящем свете». Рисунок 4 этой статьи, на мой взгляд, прекрасен и удивителен.

Перепечатано с разрешения Дж. Ф. Диллона-младшего, «Наблюдение за доменами в ферримагнитных гранатах в проходящем свете», J. Appl. физ. 29 (1958), 1286-1291. Авторское право 1958 г., Американский институт физики.

Здесь мы видим чередование двух доменных структур в части (а), светлой и темной, при нулевом приложенном поле. По мере увеличения поля (измеряемого в Эрстедах) светлые домены полностью вытесняют темные. Когда поле приложено в противоположном направлении, теперь темные домены имеют преимущество, и по мере того, как поле становится более отрицательным, они берут верх.

Эти фигурки были сделаны из тонких ломтиков граната, полупрозрачного ферримагнитного материала***. Для наблюдения за доменами экспериментатор воспользовался еще одним открытием Майкла Фарадея — фарадеевским вращением, при котором степень поляризации света, прошедшего через магнитный материал, существенно зависит от магнитного состояния материала.

Хотите сделать аппарат Баркгаузена самостоятельно? Это довольно просто и недорого, и я объясню, как это сделать, в приложении к этому посту!

**********************

* H. Barkhausen, «Zwei mit Hilfe der neuen Verstärker entdeckte Erscheinungen», Phys. Т. 20 (1919), 401—403.

** Дж. Ф. Диллон-младший, «Наблюдение доменов в ферримагнитных гранатах с помощью проходящего света», J. Appl. физ. 29 (1958), 1286-1291.

*** Магнитный материал ferr и незначительно отличается от магнитного материала ferr или , хотя качественно они имеют сходное доменное поведение.

**********************

ПРИЛОЖЕНИЕ: Сделай сам аппарат Баркгаузена!

Во-первых, я должен поблагодарить веселый и интересный веб-сайт sci-toys.com, где я впервые узнал об эффекте Баркгаузена. Вы можете приобрести у них комплект эффектов Баркгаузена за 12 долларов без усилителя.

Я сделал для себя немного другую настройку, потому что хотел иметь возможность вставлять в свою катушку разные «сердечники». Я разработал все, чтобы установить вокруг металлических и пластиковых болтов 0,25 дюйма (6 мм), которые можно купить примерно по 25 центов каждый в вашем местном хозяйственном магазине. Я использовал болты длиной 2,5 дюйма. (Для стального болта обязательно возьмите с собой магнит, чтобы убедиться, что вы покупаете настоящий магнитный кусок стали!)

Я купил 6-миллиметровую пластиковую трубку в местном магазине товаров для хобби (за несколько долларов), а также купил пару пластиковых шайб диаметром 0,25 дюйма, которые служат торцами моей катушки. Я просверлил два небольших отверстия в одной из заглушек для продевания магнитной проволоки, а затем приклеил заглушки к трубке (которую я обрезал до 2,5 дюйма), сформировав основу катушки.

Провод для катушки представляет собой магнитный провод, который можно приобрести в местном магазине радиотоваров примерно за 8 долларов. Для своего проекта я использовал промежуточный провод 26-го калибра — 22-й показался слишком коротким, а 30-й — слишком длинным! Вам просто нужно продеть один конец магнитной проволоки через одно отверстие в основании катушки, а затем получить обмотку! Приятно попробовать сделать очень правильные и упорядоченные обмотки, но, в конце концов, не имеет большого значения, аккуратные они или грязные — просто попробуйте и закончите другой конец провода рядом с другим отверстием в основании катушки.