QASS µmagnetic – Non-Destructive Hardness Testing using Barkhausen Noise

Over a century of Barkhausen noise​

The early 20th century is known for its discoveries and developments which are presently still relevant to us. They contribute to and improve our understanding of the world we live in. For instance, the discovery of subatomic building blocks took place in this period. Subatomic building blocks are the particles that form our universe. As their behaviour could no longer be explained using Newtonian physics, the theory of quantum mechanics was developed. Quantum mechanics define our knowledge of nature to this day.

Another event in this era was the discovery of the ​ ​ Barkhausen effect  Barkhausen noise is an effect which can only be observed in ferromagnetic materials. Ferromagnetism is a well-known form of magnetism commonly found in fridge magnets. In addition, there are more than half a dozen other forms of magnetism whose explanations are beyond the scope of this article. Ferromagnetic materials distinguish themselves from other materials by showing a hysteresis upon magnetization or alteration of the magnetic orientation. Hence, a hysteresis is the phenomenon exhibited by a ferromagnetic material, in which the reaction of the system to changes is dependent upon its past reactions to change.

Model of elementary magnets​

To understand what happens in a ferromagnetic material when it is magnetized or when its magnetic orientation is changed, the models developed about 100 years ago need to be used.  The French physicist   Pierre-Ernest Weiss postulated the existence of elementary magnets in a ferromagnetic solid body. These elementary magnets, referred to as Weiss domains, have a certain magnetic direction. You could say that they represent the smallest magnetic areas in a material. Even though these magnetic areas are very small, they consist of many atoms. For the formation of Weiss domains, the crystallization of these atoms in a cubic space-centered lattice is necessary. Since ferromagnetism is a cooperative effect, it cannot be explained on the basis of individual atoms.​

In einem nicht-magnetisierten ferromagnetischen Material zeigen die Elementarmagnete oder Weissschen Bezirke zufällig in alle Richtungen. Sie heben sich in ihren Wirkungen nach außen gegenseitig auf. Das Material verhält sich nicht magnetisch. Bringt man ein derartiges Material in ein äußeres Magnetfeld ein, richten sich die Weiss-Domänen parallel zu diesem aus bis das gesamte Material vollständig magnetisiert ist. Man spricht davon, dass das Material in der Sättigung ist. Das heißt, es kann nicht weiter magnetisiert werden. Und hier kommt die Hysterese ins Spiel: Wenn wir die Richtung des äußeren Magnetfeldes umkehren, beginnt das ferromagnetische Material damit, die magnetische Orientierung zu ändern. Dies geschieht zuerst langsam, da sich das effektiv wirksame Magnetfeld aus einer Überlagerung des äußeren sowie des inneren Magnetfeldes zusammensetzt. Diese beiden Magnetfelder sind einander entgegengesetzt, was dazu führt, dass zu Beginn nur ein abgeschwächtes äußeres Feld wirksam ist. Je weiter die Um-Magnetisierung fortschreitet, desto stärker wird das effektiv wirksame Feld. Hierdurch nimmt die Um-Magnetisierung an Geschwindigkeit zu, bis schließlich die magnetische Orientierung des ferromagnetischen Materials vollständig gewechselt hat. Wechselt man erneut die Orientierung des äußeren Magnetfeldes, wiederholt sich der Vorgang. Zuerst beginnt die Umorientierung langsam, dann nimmt sie Fahrt auf und geht schließlich in die Sättigung.

The emergence of hysteresis is logical and clear. Yet the curve has no continuous shape. It rather consists of small discrete jumps. Heinrich Georg Barkhausen proved experimentally that the reorientation of the individual elementary magnets does not take place simultaneously but successively and at random. Thereby, he confirmed Pierre-Ernest Weiss‘ assumption of the existence of elementary magnets. In his experimental setup, each change in the magnetic orientation of an elementary magnet caused a small current flow in a coil. This current can be made audible through an amplifier and loudspeakers, and sounds like as a series of crackling noises. Consequently, the effect is called Barkhausen noise.