Efecto Barkhausen
¿Qué es el efecto Barkhausen?
El efecto Barkhausen fue descubierto a principios del siglo XX por el físico Heinrich Barkhausen y bautizado con su nombre. Este efecto consiste en el cambio discontinuo de la magnetización en materiales ferromagnéticos, causado por cambios microscópicos y bruscos en el sentido de magnetización de los dominios de Weiss, en los que los momentos magnéticos de los espines de los electrones presentes (indicados por flechas) están alineados en paralelo (véase figura 1). Estos cambios bruscos, conocidos como «saltos de Barkhausen», pueden hacerse audibles en un experimento como un crujido en un altavoz y generan señales de ruido medibles, también conocidas como «ruido de Barkhausen» (véase figura 2).Índice
El efecto de Barkhausen tiene importantes aplicaciones en la ciencia de los materiales y los ensayos no destructivos de materiales, ya que permite conocer la microestructura y los estados de tensión del material.
El análisis de los saltos y el ruido de Barkhausen permite evaluar la fatiga de los materiales y detectar microfisuras, lo que es esencial para supervisar componentes críticos en entornos industriales.
Figura 1: El efecto de Barkhausen se produce en los límites de los dominios de Weiss.
Estos límites también se conocen como «paredes de Bloch» (líneas continuas a la izquierda y discontinuas a la derecha).
La figura 1 ilustra el efecto Barkhausen: la alineación de los espines de los electrones entre distintos dominios de Weiss cambia bruscamente cuando atraviesan la pared de Bloch (véase fig.
1).
Este efecto se denomina «efecto Barkhausen».
En los materiales ferromagnéticos,
existen dominios de Weiss de unas décimas de milímetro en las que los espines de los electrones de la materia están alineados en paralelo.
Sin embargo, los espines de los electrones en varios dominios de Weiss próximos no están alineados en paralelo.
Por eso, en un material ferromagnético desmagnetizado
no se puede medir ningún campo magnético.
Los espines de los electrones de un dominio de Weiss se oponen a los espines de los electrones de otro dominio de Weiss y compensan de esta manera su efecto magnético entre sí.
Especialmente por la influencia de un campo magnético externo, cambia la alineación de los espines de los electrones dentro de un dominio de Weiss. Si se produce tal realineación colectiva de la orientación de los espines, como en la transición de izquierda a derecha en la figura 1, se habla de un «salto de Barkhausen». Este puede ser inducido externamente por el imán.
¿Qué es un salto de Barkhausen?
Los saltos de Barkhausen son cambios bruscos en la magnetización de un imán en los que el sentido de la magnetización de un área microscópica, conocida como «dominio de Weiss», cambia bruscamente.
Un salto de Barkhausen es el cambio simultáneo de la orientación de todos los espines de los electrones
en un dominio de Weiss.
Mediante la magnetización, se puede conseguir que un material ferromagnético parezca magnético hacia el exterior.
Esto se debe a que todos los espines de los electrones del material se alinean en gran medida en paralelo durante la magnetización.
Los diferentes dominios de Weiss se fusionan entre sí para formar un gran dominio común con los espines de los electrones alineados en paralelo.
Para ello, los espines de los electrones tienen que cambiar su alineación.
Sin embargo, debido a la fuerte interacción de intercambio
entre cada uno de los espines de los electrones, esto no ocurre para cada espín, sino que la alineación de todos los espines de los electrones de un dominio de Weiss cambia instantáneamente por la influencia de un campo magnético.
Todos los espines de los electrones cambian juntos su orientación en forma de «salto» colectivo.
Este fenómeno se conoce como «salto de Barkhausen».
Así pues, los saltos de Barkhausen se asocian a un cambio repentino en la magnetización de un material ferromagnético.
Experimento para demostrar los saltos de Barkhausen
Si bien los dominios de Weiss que cambian de orientación son minúsculos (a menudo de tan solo unos pocos µm), el comportamiento colectivo errático de los diminutos espines de los electrones puede demostrarse en un experimento (véase figura 2).
Figura 2: El experimento muestra una instalación para hacer audibles los saltos de Barkhausen.
Dentro de una bobina hay un material ferromagnético.
Los dominios de Weiss del material ferromagnético no están alineados en paralelo y el material no es magnético.
Durante el proceso de magnetización, se acerca un imán permanente externo, lo que provoca un cambio brusco en la dirección de los dominios de Weiss.
Esto hace que la magnetización del material en la bobina cambie bruscamente y se pueda medir una corriente diminuta (que es proporcional al tamaño del dominio de Weiss que ha cambiado de sentido).
El breve impulso de corriente se puede conducir a través de un amplificador hasta un altavoz que, a continuación, empieza a «crepitar» suavemente con cada salto.
La señal puede amplificarse aún más con un micrófono.
Este experimento aprovecha que, con una magnetización cuidadosa, cada dominio de Weiss realiza saltos de Barkhausen uno tras otro.
Con ayuda de un imán permanente,
se magnetiza con cuidado una sonda ferromagnética (véase figura 2).
De esta manera, los espines de los dominios de Weiss «giran» y se produce un breve impulso magnético.
Si el material está enrollado en una bobina, este impulso magnético induce brevemente una corriente en la bobina.
Este impulso de corriente puede amplificarse y hacerse visible mediante la desviación de una aguja o audible a través de un altavoz.
Ruido de Barkhausen
El ruido Barkhausen es un fenómeno que caracteriza los cambios micromagnéticos en los materiales ferromagnéticos mediante saltos discretos en la magnetización. Este ruido es el resultado directo de la realineación de las paredes de los dominios y proporciona información valiosa sobre las propiedades de los materiales, como la microestructura y los estados de tensión. Se utiliza en pruebas no destructivas para identificar la fatiga y las microfisuras en materiales, algo especialmente importante en aplicaciones industriales críticas para la seguridad.
Autor:
Dr. Franz-Josef Schmitt
El Dr. Franz-Josef Schmitt es físico y director científico del Curso Práctico Avanzado de Física de la Universidad Martin Luther Halle-Wittenberg. Trabajó en la Universidad Técnica entre 2011 y 2019 y dirigió varios proyectos docentes y el laboratorio de proyectos de Química. Su investigación se centra en la espectroscopia de fluorescencia con resolución temporal en macromoléculas biológicamente activas. Asimismo, es director general de la empresa Sensoik Technologies GmbH.
Dr. Franz-Josef Schmitt
El Dr. Franz-Josef Schmitt es físico y director científico del Curso Práctico Avanzado de Física de la Universidad Martin Luther Halle-Wittenberg. Trabajó en la Universidad Técnica entre 2011 y 2019 y dirigió varios proyectos docentes y el laboratorio de proyectos de Química. Su investigación se centra en la espectroscopia de fluorescencia con resolución temporal en macromoléculas biológicamente activas. Asimismo, es director general de la empresa Sensoik Technologies GmbH.
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