3.10. Магнитные шумы.

3.10.1. Скачки Баркгаузена.

Как известно, намагничивание ферромагнитных материалов (железа, ферритов, пермаллоя и др.) происходит путем переориентации доменов (вообще говоря, в периодической таблице элементов Д.И. Менделеева имеется только четыре элемента: Fe²⁶, Co²⁷, Ni²⁸, Gd⁶⁴, которые являются ферромагнетиками). При нарастании поля H в ферромагнетике происходят так называемые скачки Баркгаузена, которые не повторяются в точности от цикла к циклу, что приводит к флуктуациям магнитного потока в индикаторной обмотке. Это и создает магнитный шум.

На рис. 3.11 приведена кривая намагничивания поликристаллического железа, показывающая возникновение скачков Баркгаузена при большом разрешении (область b на рисунке). Здесь B – магнитная индукция, H – магнитное поле.

Рис. 3.13. Кривая намагничивания поликристаллического железа, показывающая возникновение скачков Баркгаузена в области b.

При циклическом перемагничивании ферромагнитного образца (в синусоидальном поле) перемагничивание происходит по петле гистерезиса (рис. 3.14), которая также не является плавной кривой, а состоит из изломов, каждый из которых соответствует перемагничиванию одного домена. При этом доменная структура его приводит к тому, что поток магнитной индукции через любое поперечное сечение образца не является строго периодическим процессом во времени, а испытывает флуктуации. Причина нарушения периодичности процесса перемагничивания ферромагнетика заключается в случайном характере перемагничивания отдельных доменов, происходящих необратимыми скачками Баркгаузена, как в пространстве образца, так и во времени. В реальных образцах из-за структурных неоднородностей имеет место разброс величин магнитных моментов доменов.

При перемагничивании ферромагнетика флуктуации потока магнитной индукции возникают, во-первых, из-за статистического разброса от цикла к циклу значений критического магнитного поля H_k,при которых происходит перемагничивание отдельных доменов, во-вторых, из-за случайного временного хода процесса перемагничивания отдельных областей в зависимости от их местоположения, что и создает магнитный шум. Спектр этих флуктуаций имеет составляющую вида 1/f.

3.14. Петля гистерезиса для магнитно-мягкого ферромагнитного материала при циклическом перемагничивании. Здесь B_s– намагниченность насыщения,B_R – остаточная намагниченность,H– магнитное поле, H_c – коэрцитивная сила.

Для магнитно-твердого (высоко-коэрцитивного) ферромагнитного материала, который намагничивается до насыщения и перемагничивается в сравнительно сильных магнитных полях (обычно в синусоидальном поле) петля гистерезиса близка к прямоугольной с высоким значением коэрцитивной силы H_c(рис. 3.15.).

Рис. 3.15. Петли гистерезиса магнитно-жесткого ферромагнитного материала для трех различных синусоидальных полей при циклическом перемагничивании. Здесь B_s – намагниченность насыщения, B_R – остаточная намагниченность, H – магнитное поле, H_c – коэрцитивная сила.

Критическое магнитное поле H_k, при котором происходит о перемагничивание отдельного домена, является случайной функцией времениtи определяется:

H_k=, (3.44)

где – среднее критическое магнитное поле перемагничивания для отдельного домена, а– его флуктуации.

Электродвижущая сила индукции E_инд, возникающая в замкнутом контуре, связанным с ферромагнетиком, пропорциональна скорости изменения потока вектора магнитной индукции =BScos, где B=– магнитная индукция (здесь=4πГн/м – магнитная постоянная, μ – магнитная проницаемость ферромагнетика,– угол между вектором магнитной индукции и плоскостью контура). При этом потокпронизывающий этот контур, и электродвижущая сила индукцииE_инд оказываются случайными функциями времени, так что:

E_инд(t) = - (3.45)

При перемагничивании ферромагнитного образца периодически изменяющимся полем, указанные флуктуации приводят к появлению сплошного спектра магнитной индукции на фоне дискретного спектра. Шумы циклического перемагничивания вызваны необратимыми процессами перемагничивания ферромагнетика.

Как известно, намагничивание ферромагнетика описывается двумя процессами: 1) – намагничивание за счет смещения границ между доменами и 2) – намагничивание за счет вращения вектора магнитной индукции отдельных доменов. Для краткости назовем 1-й процесс процессом смещения, а 2-й – процессом вращения. После процесса смещения начинается вращение, но нельзя точно разграничить эти 2 процесса.

Теория и эксперимент показывают, что для мягких магнитных материалов начальная магнитная проницаемость (или восприимчивость) в основном определяется процессом смещения, тогда как для жестких магнитных материалов (c прямоугольной петлей гистерезиса) – процессом вращения доменов.

В ферромагнетике для разных доменов завершение процессов смещения происходит при различных значениях магнитного поля. Таким образом, при перемагничивании ферромагнетика наряду с обратимыми процессами имеют место необратимые процессы смещения и вращения. Магнитный шум вызывается необратимыми скачками намагниченности, скачками Баркгаузена.

Многие авторы искали связь между размерами ферромагнитной области и размерами скачка Баркгаузена, однако никакой однозначной связи между этими величинами не было обнаружено, поскольку скачок Баркгаузена может соответствовать случайным флуктуациям в движении границы домена под влиянием внешнего магнитного поля, а не полному перемагничиванию всего объема области. Кажущийся объем области, полученный из эффекта Баркгаузена в экспериментах получается весьма различным.