Bruit de Barkhausen

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Qu'est-ce que l'effet Barkhausen ?

L'effet Barkhausen a été découvert au début du 20e siècle par le physicien Heinrich Barkhausen qui lui a donné son nom. L'effet Barkhausen décrit le changement discontinu de l'aimantation dans les matériaux ferromagnétiques causé par des changements microscopiques et brusques de la direction d'aimantation de ce que l'on appelle les domaines de Weiss, dans lesquels les moments magnétiques des spins électroniques présents (indiqués par des flèches) sont alignés parallèlement entre eux (voir figure 1). Ces changements brusques, connus sous le nom de sauts de Barkhausen, peuvent être rendus audibles dans une expérience sous la forme d'un bruit de craquement dans un haut-parleur et produisent des signaux de bruit magnétique mesurables, également appelés bruit de Barkhausen (voir figure 2).

Table des matières

L'effet Barkhausen est utilisé de manière importante dans la science des matériaux et dans le contrôle non destructif des matériaux, car il donne un aperçu de la microstructure et des états de contrainte des matériaux. L'analyse des sauts de Barkhausen et du bruit de Barkhausen permet d'évaluer la fatigue des matériaux et de détecter des microfissures, ce qui est essentiel pour la surveillance des composants critiques dans l'industrie.

Figure 1 : L'effet Barkhausen se produit aux limites des domaines dits de Weiss. Ces limites sont également appelées parois de Bloch (lignes continues à gauche et lignes pointillées à droite).

La figure 1 illustre l'effet Barkhausen : Lorsqu'ils franchissent la paroi de Bloch, l'orientation des spins des électrons entre différents domaines de Weiss change brusquement (voir figure 1). Cet effet est appelé effet Barkhausen. Dans les matériaux ferromagnétiques, il existe généralement des domaines de Weiss de quelques dixièmes de millimètres dans lesquels les spins électroniques de la matière sont orientés parallèlement entre eux. Cependant, les spins des électrons dans différents domaines de Weiss voisins ne sont pas alignés parallèlement. C'est pourquoi on ne peut pas mesurer de champ magnétique dans une matière ferromagnétique . Les spins électroniques d'un domaine de Weiss s'opposent aux spins électroniques d'un autre domaine de Weiss et compensent ainsi mutuellement leur effet magnétique.

Surtout sous l'influence d'un champ magnétique extérieur, les orientations des spins des électrons changent à l'intérieur d'un domaine de Weiss. Si un tel repositionnement collectif de l'orientation des spins se produit, comme lors du passage de la figure 1 de gauche à celle de droite, on parle alors d'un saut de Barkhausen. Ce phénomène peut alors être induit de l'extérieur par l'aimant.

Qu'est-ce que le saut de Barkhausen ?

Les sauts de Barkhausen sont des changements brusques de la magnétisation d'un aimant, au cours desquels la direction de la magnétisation d'une zone microscopique, appelée domaine de Weiss, change brusquement. Un saut de Barkhausen est le changement simultané de l'orientation de tous les spins électroniques dans un domaine de Weiss.

Grâce à la magnétisation, il est pourtant possible de faire en sorte qu'un matériau ferromagnétique apparaisse également magnétique à l'extérieur. Cela est dû au fait que les spins des électrons dans le matériau sont tous orientés principalement en parallèle lors de la magnétisation. Différents domaines de Weiss fusionnent alors entre eux pour former un grand domaine commun comportant des spins électroniques orientés parallèlement.

Pour cela, les spins des électrons doivent changer d'orientation. En raison de la forte interaction d'échange entre les spins électroniques individuels, cela ne se produit cependant pas pour chaque spin individuellement, mais dans un domaine de Weiss, l'orientation de l'intégralité des spins électroniques de ce domaine change instantanément sous l'influence d'un champ magnétique. Tous les spins électroniques changent ensemble d'orientation sous la forme d'un "saut" collectif. On parle d'un saut de Barkhausen.

Les sauts de Barkhausen sont donc associés à un changement brusque de la magnétisation dans un matériau ferromagnétique.

Expérience démontrant les sauts de Barkhausen

Bien que les domaines de Weiss, qui changent d'orientation à ce moment-là, soient très petits (souvent seulement quelques µm de taille), le comportement collectif par sauts des minuscules spins électroniques peut être mis en évidence par une expérience (voir figure 2).

Mise en place d'une expérience permettant de rendre audibles les sauts de Barkhausen

Figure 2 : L'expérience montre un montage permettant de rendre audibles les sauts de Barkhausen. Un matériau ferromagnétique se trouve dans une bobine. Les domaines de Weiss du matériau ferromagnétique ne sont pas parallèles entre eux et le matériau n'est pas magnétique. Lors du processus d'aimantation par un aimant permanent qui est approché de l'extérieur, il se produit un changement brusque de direction des domaines de Weiss. Cela entraîne un changement brusque de la magnétisation du matériau dans la bobine et un courant infime (proportionnel à la taille du domaine de Weiss qui a changé de direction) devient mesurable. On peut par exemple envoyer la courte impulsion de courant à travers un amplificateur à un haut-parleur qui alors commence à "craquer" légèrement à chaque saut. Le signal peut être encore amplifié à l'aide d'un microphone.

Cette expérience exploite le fait que, lors d'une magnétisation prudente, certains domaines de Weiss effectuent successivement des sauts de Barkhausen. À l'aide d'un aimant permanent, un échantillon ferromagnétique est magnétisé avec précaution (voir figure 2). Il en résulte un "rabattement" des spins des domaines de Weiss, ce qui provoque une impulsion magnétique de courte durée. Si l'on embobine le matériau dans une bobine, cette impulsion magnétique induit brièvement un courant dans la bobine. Cette impulsion de courant peut être amplifiée et ensuite rendue visible par une aiguille ou audible par un haut-parleur.

Le bruit de Barkhausen

Le bruit de Barkhausen est un phénomène qui caractérise les changements micromagnétiques dans les matériaux ferromagnétiques par des sauts discrets de la magnétisation. Ce bruit est le résultat direct du réalignement des parois des domaines et offre un aperçu précieux des propriétés des matériaux, telles que la microstructure et les états de contrainte. Il est utilisé dans les contrôles non destructifs pour identifier la fatigue des matériaux et les microfissures, ce qui est particulièrement important dans les applications industrielles critiques en termes de sécurité.

Auteur:
Dr Franz-Josef Schmitt

Dr. Franz-Josef Schmitt est physicien et directeur scientifique des cours pratiques avancés de physique à l'université Martin-Luther de Halle-Wittenberg. Il a travaillé à l'université technique de 2011 à 2019 et a dirigé divers projets pédagogiques ainsi que le laboratoire de projets en chimie. Ses recherches se concentrent sur la spectroscopie de fluorescence résolue en temps sur des macromolécules biologiquement actives. Il est également directeur de Sensoik Technologies GmbH.

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