Effetto Barkhausen

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Che cos'è l'effetto Barkhausen?

L'effetto Barkhausen è stato scoperto all'inizio del XX secolo dal fisico Heinrich Barkhausen e da lui prende il nome. L'effetto Barkhausen descrive la variazione discontinua della magnetizzazione nei materiali ferromagnetici, causata da microscopici e bruschi cambiamenti nella direzione della magnetizzazione dei cosiddetti distretti di Weiss, in cui i momenti magnetici degli spin degli elettroni presenti (indicati dalle frecce) sono allineati parallelamente l'uno all'altro (vedi Figura 1). Questi bruschi cambiamenti, noti come salti di Barkhausen, possono essere percepiti in un esperimento come un rumore di cracking in un altoparlante e generano segnali di rumore magnetico misurabili, anch'essi noti come rumore di Barkhausen (vedi figura 2).

Indice

L'effetto Barkhausen ha applicazioni significative nella scienza dei materiali e nei test non distruttivi sui materiali, in quanto fornisce informazioni sulla microstruttura e sugli stati di stress del materiale. L'analisi dei salti e del rumore di Barkhausen consente di valutare la fatica del materiale e di rilevare le microfratture, un aspetto essenziale per il monitoraggio dei componenti critici nell'industria.

Figura 1: l'effetto Barkhausen si verifica ai confini dei cosiddetti domini di Weiss. Questi confini sono noti anche come pareti di Bloch (linee solide a sinistra e linee tratteggiate a destra).

La Figura 1 illustra l'effetto Barkhausen: l'orientamento degli spin degli elettroni tra i diversi domini di Weiss cambia bruscamente quando attraversano la parete di Bloch (vedi Figura 1). Questo effetto è chiamato effetto Barkhausen. Nei materiali ferromagnetici esistono domini di Weiss di pochi decimi di millimetro in cui gli spin degli elettroni della materia sono allineati parallelamente l'uno all'altro. Tuttavia, gli spin degli elettroni nei vari domini di Weiss vicini non sono allineati in parallelo. Per questo motivo in un materiale ferromagnetico smagnetizzato non è possibile misurare un campo magnetico. Gli spin degli elettroni di un dominio di Weiss si oppongono agli spin degli elettroni di un altro dominio di Weiss, compensando così reciprocamente il loro effetto magnetico.

In particolare, sotto l'influenza di un campo magnetico esterno, l'allineamento degli spin degli elettroni all'interno di un dominio di Weiss cambia. Se si verifica un tale riarrangiamento collettivo dell'orientamento degli spin, come nella transizione dal lato sinistro a quello destro della Figura 1, si parla di salto di Barkhausen. Questo può essere indotto esternamente dal magnete.

Che cos'è il salto di Barkhausen?

I salti di Barkhausen sono bruschi cambiamenti nella magnetizzazione di un magnete, per cui la direzione della magnetizzazione di un'area microscopica, il cosiddetto distretto di Weiss, cambia bruscamente. Un salto di Barkhausen è il cambiamento simultaneo dell'orientamento di tutti gli spin degli elettroni in un dominio di Weiss.

Tuttavia, la magnetizzazione può essere utilizzata per far apparire magnetico all'esterno un materiale ferromagnetico. Il motivo è che durante la magnetizzazione gli spin degli elettroni nel materiale sono tutti ampiamente allineati in parallelo. I diversi domini di Weiss si fondono l'uno con l'altro per formare un grande distretto comune con gli spin degli elettroni allineati in parallelo.

Per ottenere questo risultato, gli spin degli elettroni devono cambiare il loro allineamento. Tuttavia, a causa della forte interazione di scambio tra i singoli spin di elettroni, questo non avviene per ogni singolo spin, ma piuttosto l'allineamento di tutti gli spin di elettroni in un dominio di Weiss cambia istantaneamente sotto l'influenza di un campo magnetico. Tutti gli spin degli elettroni cambiano orientamento insieme, sotto forma di un "salto" collettivo. Questo fenomeno è noto come salto di Barkhausen.

I salti di Barkhausen sono quindi associati a un improvviso cambiamento di magnetizzazione in un materiale ferromagnetico.

Esperimento per il rilevamento dei salti di Barkhausen

Sebbene i distretti di Weiss che cambiano orientamento siano molto piccoli (spesso hanno una dimensione di pochi µm), il comportamento collettivo erratico dei minuscoli spin degli elettroni può essere dimostrato in un esperimento (vedi figura 2).

Preparazione di un esperimento per rendere udibili i salti di Barkhausen

Figura 2: l'esperimento mostra una configurazione per rendere udibili i salti di Barkhausen, con un materiale ferromagnetico in una bobina. I domini di Weiss del materiale ferromagnetico non sono allineati parallelamente tra loro e il materiale è amagnetico. Durante il processo di magnetizzazione da parte di un magnete permanente avvicinato dall'esterno, si verifica un improvviso cambiamento nella direzione dei domini di Weiss. Ciò provoca una brusca variazione della magnetizzazione del materiale nella bobina e una piccola corrente (proporzionale alla dimensione del dominio di Weiss che ha cambiato direzione) diventa misurabile. Il breve impulso di corrente può, ad esempio, essere inviato attraverso un amplificatore a un altoparlante, che inizia a "gracchiare" dolcemente a ogni salto. Il segnale può essere ulteriormente amplificato con un microfono.

Questo esperimento sfrutta il fatto che i singoli domini di Weiss eseguono salti di Barkhausen uno dopo l'altro durante un'accurata magnetizzazione. Un campione ferromagnetico viene accuratamente magnetizzato con un magnete permanente (vedi figura 2). Questo fa sì che gli spin dei domini di Weiss si "invertano", dando luogo a un breve impulso magnetico. Se il materiale è avvolto in una bobina, questo impulso magnetico induce brevemente una corrente nella bobina. Questo impulso di corrente può essere amplificato e quindi visualizzato tramite la deflessione di una lancetta o reso udibile tramite un altoparlante.

Rumore di Barkhausen

Il rumore di Barkhausen è un fenomeno che caratterizza i cambiamenti micromagnetici nei materiali ferromagnetici attraverso salti discreti nella magnetizzazione. Questo rumore è il risultato diretto del riallineamento delle pareti del dominio e fornisce preziose informazioni sulle proprietà del materiale, come la microstruttura e gli stati di stress. Viene utilizzato nei test non distruttivi per identificare la fatica del materiale e le microfratture, un aspetto particolarmente importante nelle applicazioni industriali critiche per la sicurezza.

Autore:
Dott. Franz-Josef Schmitt

Il dottor Franz-Josef Schmitt è fisico e direttore scientifico del corso pratico avanzato di fisica all'università Martin-Luther di Halle-Wittenberg. Ha lavorato alla Technische Universität di Berlino dal 2011 al 2019, dove ha diretto diversi progetti pedagogici e il laboratorio di progetti di chimica. Le sue ricerche si concentrano sulla spettroscopia di fluorescenza risolta nel tempo su macromolecole biologicamente attive. Inoltre è il direttore di Sensoik Technologies GmbH.

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