바르크하우젠 효과

300px|right|섬네일|강자성체의 자화(J) 또는 자속 밀도(B) 곡선과 자기장 세기(H)의 관계. 삽입 그림은 바르크하우젠 점프를 보여준다.
섬네일|300px|바르크하우젠 노이즈의 기원: 자구벽이 움직일 때 결정 격자의 결함에 걸렸다가 "딸깍"하며 지나가면서 자기장에 갑작스러운 변화를 일으킨다.

바르크하우젠 효과(Barkhausen effect)는 강자성체에 가해지는 자화력이 변화할 때 자기 출력에서 발생하는 소음을 말한다. 1919년 독일 물리학자 하인리히 바르크하우젠이 발견했으며, 자구(강자성체 내에서 유사하게 자화된 원자) 크기의 급격한 변화로 인해 발생한다.

바르크하우젠의 음향학 및 자기 분야 연구는 이 발견으로 이어졌는데, 이는 1906년 피에르에르네스트 바이스가 제안한 강자성체의 자구 이론을 뒷받침하는 주요 실험적 증거가 되었다. 바르크하우젠 효과는 연속적인 자기화 또는 탈자기화 과정 동안 발생하는 강자성 자구, 즉 정렬된 원자 자석(스핀)의 미세한 집단의 크기와 방향의 일련의 급격한 변화이다. 바르크하우젠 효과는 이전에 이론적으로 가정되었던 강자성 자구의 존재에 대한 직접적인 증거를 제시했다. 하인리히 바르크하우젠은 철과 같은 강자성 물질에 자기장을 서서히 매끄럽게 증가시키면 연속적으로가 아니라 미세한 단계로 자화된다는 것을 발견했다.

바르크하우젠 노이즈
강자성 물질을 통과하는 외부 자화장이 변할 때, 예를 들어 자석을 철 막대 쪽으로 또는 멀리 이동시킴으로써, 물질의 자화는 일련의 불연속적인 변화를 통해 변하며, 철을 통과하는 자속에 "점프"를 일으킨다. 이는 막대 주위에 코일을 감아 앰프와 스피커에 연결하여 감지할 수 있다. 물질의 자화에서의 갑작스러운 전이는 코일에 전류 펄스를 생성하고, 이는 증폭되어 스피커에서 소리를 낸다. 이것은 캔디 포장을 벗기는 소리, 라이스 크리스피, 또는 장작불 소리에 비유되는 바스락거리는 소리를 낸다. 독일 물리학자 하인리히 바르크하우젠이 처음 발견한 이 소리는 바르크하우젠 노이즈라고 불린다. 유사한 효과는 감지 코일에 놓인 재료에 기계적 응력(예: 구부림)만 가함으로써 관찰될 수 있다.

이러한 자화 점프는 강자성 자구의 크기 변화 또는 회전으로 인해 발생한다. 자구는 자기장 변화에 반응하여 결정 격자 내에서 자구벽이 움직임으로써 크기가 변하며, 자구벽 근처의 쌍극자가 인접 자구의 스핀과 정렬하기 위해 스핀을 변화시키는 과정에 의해 발생한다. 완벽한 결정 격자에서는 연속적인 과정일 수 있지만, 실제 결정에서는 불순물 원자나 구조 내 전위와 같은 격자 내 국부적 결함이 스핀 변화에 일시적인 장벽을 형성하여 자구벽이 결함에 걸리게 한다. 자기장 변화가 결함의 국부 에너지 장벽을 극복할 만큼 충분히 강해지면, 자구벽이 결함을 "딸깍"하고 지나가면서 한 그룹의 원자가 동시에 스핀을 뒤집는다. 이러한 갑작스러운 자화 변화는 막대를 통과하는 자기장에 순간적인 변화를 일으키며, 이는 코일에 이어폰에서 "딸깍"하는 소리로 감지된다.

이러한 결함을 통해 자구벽이 움직이는 데 따른 에너지 손실은 강자성 물질의 이력 현상 곡선과 관련이 있다. 높은 보전력을 가진 강자성 물질은 이러한 결함이 더 많아 주어진 자속 변화에 대해 더 많은 바르크하우젠 노이즈를 생성하는 반면, 실리콘 강 변압기 적층판과 같이 낮은 보전력을 가진 물질은 결함을 제거하도록 처리되므로 바르크하우젠 노이즈를 거의 생성하지 않는다.

실용적 활용
300px|right|섬네일|강자성 물질의 비파괴 검사를 위한 설정: 녹색 – 자화 멍에, 빨간색 – 유도 센서, 회색 – 시험 대상 샘플.
특정 재료의 바르크하우젠 노이즈의 양은 불순물, 결정 전위 등과 관련이 있으며, 해당 재료의 기계적 성질에 대한 좋은 지표가 될 수 있다. 따라서 바르크하우젠 노이즈는 주기적인 기계적 응력(예: 파이프라인 수송)이나 고에너지 입자(예: 원자로)에 노출된 자기 재료 또는 연삭으로 인한 손상을 입을 수 있는 고강도 강철과 같은 재료의 기계적 특성 저하에 대한 비파괴 검사 방법으로 사용될 수 있다. 이러한 목적을 위한 간단한 비파괴 설정의 개략도는 오른쪽에 나와 있다.

바르크하우젠 노이즈는 반응성 이온 식각 또는 이온 밀링 머신 사용과 같은 다양한 나노제조 공정으로 인한 박막 구조의 물리적 손상을 나타낼 수도 있다.

위건드 효과는 바르크하우젠 효과의 거시적 확장이며, 위건드 와이어의 특수 처리로 인해 와이어가 거시적으로 단일 대형 자구처럼 작동하게 된다. 위건드 와이어 외부 껍질의 수많은 작은 고보전력 자구들이 눈사태처럼 전환되어 위건드 효과의 급격한 자기장 변화를 생성한다.

 각주 

 외부 링크 

 바르크하우젠 효과 효과를 시연하는 비디오
 바르크하우젠 노이즈 연삭 소손 및 열처리 결함 모니터링
 바르크하우젠 노이즈란 무엇인가

분류:1919년 과학
분류:강자성