15 Ultraschall - 2. Physikalisches Institut, RWTH Aachen

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4 Physikalische Grundlagen und Tipps zur Auswertung Diese Kapitel soll nur eine kurze Übersicht der physikalischen Effekte bei Ultraschallmessungen an Fe0,7Al0,3-Einkristallen liefern. Für detailliertere Informationen sei hier auf die Diplomarbeit von U. Czubayko aus dem Institut für Metallkunde und Metallphysik der RWTH Aachen [3] und auf die Dissertation von A. Nagy [14] verwiesen. Die Untersuchungen von Czubayko beziehen sich jedoch auf die longitudinale Schallmode, wohingegen im Praktikumsversuch mit transversalen Schallwellen experimentiert werden soll. Im Allgemeinen sind die physikalischen Ursachen in beiden Schallmoden gleich. Die gemessenen Effekte sind jedoch im Fall transversaler Schallwellen aufgrund der um den Faktor 2 kleineren Schallgeschwindigkeit um ungefähr den Faktor 2 - 6 größer. 4.1 Dämpfung durch magnetische Domänen Wenn ein ferromagnetisches Material einem Magnetfeld ausgesetzt wird, ändern sich seine Abmessungen. Die daraus resultierende relative Dehnungsänderung bezeichnet man als Magnetostriktion. Umgekehrt verursacht die Anwendung einer mechanischen Spannung eine Änderung der Magnetisierung im Material. Eine direkte Erscheinungsform der Änderung des Magnetisierungszustands mit der Spannung ist durch den sogenannten ΔE-Effekt gekennzeichnet. Er ist ebenfalls wesentlich mit der Magnetostriktion verbunden und bewirkt bei periodischer Belastung einen beträchtlichen Verlust der mechanischen Energie, also eine große Dämpfung, die sogenannte magnetomechanische Dämpfung. 4.1.1 Magnetostriktion Unter Magnetostriktion versteht man die Änderung der geometrischen Abmessungen Δl = Δl/l eines Körpers unter dem Einfluss einer Magnetisierungsänderung. Eine allgemeine Dimensionsänderung eines Körpers kann in zwei Anteile zerlegt werden: eine gestaltinvariante Volumenänderung und eine volumeninvariante Gestaltsänderung. Die magnetisch bedingten Volumenänderungen werden als Volumenmagnetostriktion zusammengefasst. Die magnetisch bedingte Gestaltsänderung wird mit dem Begriff Gestaltsmagnetostriktion, anisotrope Magnetostriktion oder aber auch nach ihrem Entdecker als Joule-Magnetostriktion bezeichnet. Je nach- 17
4.1 Dämpfung durch magnetische Domänen 18 dem, ob sich der Körper in Richtung der Magnetisierung verlängert oder verkürzt, wird zwischen positiver und negativer Magnetostriktion unterschieden. Diese wird als relative Längenänderung angegeben und liegt für magnetostriktive Materialien bei l = 10 −8 bis 10 −3 für magnetische Sättigung. Für die meisten Stoffe ist die Gestaltsmagnetostriktion um zwei Größenordnungen größer als die Volumenmagnetostriktion. Die Ursache der makroskopischen Magnetostriktion ist die Magnetisierung durch die Drehung der magnetischen Momente in Richtung des angelegten Feldes. Bei Anlegen eines äußeren Magnetfeldes wird die Konfiguration mit dem größeren magnetischen Moment gegenüber der anderen energetisch abgesenkt und damit die Besetzungswahrscheinlichkeit in Richtung der Konfiguration mit dem größeren magnetischen Moment geändert. Damit verbunden ist eine entsprechende Änderung des mittleren Volumens durch Veränderung der atomaren Bindungsabstände im Gleichgewicht. Die Volumenmagnetostriktion ist positiv, wenn die Konfiguration mit dem größeren magnetischen Moment auch das größere Volumen besitzt, andernfalls ist sie negativ [13]. Im entmagnetisierten Zustand ist ein Ferromagnet unterhalb der Curietemperatur TC in eine Vielzahl von spontan magnetisierten Bereichen (Domänen) unterteilt und weist eine spontane Magnetostriktion auf. Die Richtungen der Magnetisierung der einzelnen Domänen sind statistisch auf die leichten Richtungen verteilt, so dass sich die Magnetisierung insgesamt aufhebt und die Probe nach außen hin pauschal unmagnetisch erscheint. Zwischen den Domänen bilden sich Übergangsbereiche der Magnetisierung aus, sogenannte Blochwände, in denen die unterschiedlichen Spinrichtungen benachbarter Domänen stetig ineinander überführt werden (Abb. 4.1). Die Art der Blochwand wird durch den Winkel charakterisiert, der durch die benachbarten Domänen eingeschlossen wird. Sind die Magnetisierungsrichtungen antiparallel, so spricht man von einer 180 ◦ -Blochwand, sind sie orthogonal, von einer 90 ◦ -Blochwand. Der Ablauf dieser Elementarprozesse ist nun nicht nur für den Magnetisierungsvorgang, sondern auch für die Magnetostriktion verantwortlich. Im Ausgangszustand, dem pauschal unmagnetischen Zustand, ist das Gitter durch die spontane Magnetisierung und der damit verbundenen speziellen Wechselwirkung innerhalb der Domäne deformiert. Bei Anlegen eines äußeren Feldes wird mit dem damit verbundenen Magnetisierungsvorgang diese Gitterdeformation verändert. Das Gitter wird sich in Richtung des angelegten Magnetfelds dehnen oder zusammenziehen. Betrachtet man die Auswirkung der Wandverschiebung auf die Magnetostriktion, so muss zwischen den verschiedenen Wandarten unterschieden werden. Bei einer reversiblen oder irreversiblen 180 ◦ -Wandverschiebung wird nur das Vorzeichen der Magnetisierungsrichtung, nicht aber deren Richtung geändert. Dieser Prozess liefert keinen Beitrag zur Magnetostriktion, da diese invariant gegen Drehung der Magnetisierung um 180 ◦ ist. Die reversiblen und irreversiblen 90 ◦ -Wandverschiebungen entsprechen Drehungen der Magnetisierungsrichtung um 90 ◦ und geben daher einen Beitrag zur Magnetostriktion. Sind die 90 ◦ -Wandverschiebungen beendet, so erfolgt die reversible Drehung des Bezirks in Feldrichtung, womit ebenfalls ein Beitrag zur Magnetostriktion verbunden ist. Die durch anlegen eines Magnetfeldes hervorgerufen Magnetostriktionseffekt führt quantitativ zur folgenden Veränderung des Elastizitätsmoduls C44: C44 = − σik 3λ111 mi mk mit i = k, (4.1)
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