Магнитный домен

Микрокристаллические зерна в куске Nd ₂ Fe ₁₄ B (сплав, используемый в неодимовых магнитах ) с магнитными доменами, видимыми с помощью микроскопа Керра . Домены представляют собой светлые и темные полосы, видимые внутри каждого зерна. Выделенное зерно имеет магнитокристаллическую ось почти вертикально, поэтому домены видны с торцов.

Магнитный домен представляет собой область , в пределах магнитного материала , в котором намагниченность в едином направлении. Это означает, что отдельные магнитные моменты атомов выровнены друг с другом и указывают в одном направлении. При охлаждении ниже температуры, называемой температурой Кюри , намагниченность куска ферромагнитного материала спонтанно делится на множество небольших областей, называемых магнитными доменами. Намагниченность внутри каждого домена указывает в одном направлении, но намагниченность разных доменов может указывать в разных направлениях. Магнитная доменная структура отвечает за магнитное поведение ферромагнитных материалов, таких как железо ,никель , кобальт и их сплавы , а также ферримагнетики, такие как феррит . Это включает в себя образование постоянных магнитов и притяжение ферромагнитных материалов к магнитному полю. Области, разделяющие магнитные домены, называются доменными стенками , где намагниченность когерентно вращается от направления в одном домене к направлению в следующем домене. Изучение магнитных доменов называется микромагнетизмом .

Магнитные домены образуются в материалах с магнитным упорядочением ; то есть их диполи спонтанно выстраиваются из-за обменного взаимодействия . Это ферромагнетики , ферримагнетики и антиферромагнетики . Парамагнитные и диамагнитные материалы, в которых диполи выравниваются под действием внешнего поля, но не выравниваются спонтанно, не имеют магнитных доменов.

Развитие теории предметной области [ править ]

Теория магнитных доменов была разработана французским физиком Пьером-Эрнестом Вейссом ^[1], который в 1906 году предположил существование магнитных доменов в ферромагнетиках. ^[2] Он предположил, что большое количество атомных магнитных моментов (обычно 10 ¹² -10 ¹⁸ ) ^{[ необходима цитата ]} были выровнены параллельно. Направление выравнивания изменяется от домена к домену более или менее случайным образом, хотя определенная кристаллографическая ось может быть предпочтительной из-за магнитных моментов, называемых легкими осями. Вайс все еще должен был объяснить причину самопроизвольного совмещения атомных моментов внутри ферромагнетика.материала, и он придумал так называемое среднее поле Вейса. Он предположил, что данный магнитный момент в материале испытывает очень сильное эффективное магнитное поле из-за намагниченности его соседей. В первоначальной теории Вейсса среднее поле было пропорционально объемной намагниченности M , так что

${\ Displaystyle H_ {е} = \ альфа \ M}$

где - постоянная среднего поля. Однако это не применимо к ферромагнетикам из-за изменения намагниченности от домена к домену. В этом случае поле взаимодействия равно${\ Displaystyle \ альфа \}$

${\ Displaystyle H_ {е} = \ альфа \ M_ {s}}$

Где намагниченность насыщения при 0К.${\ displaystyle M_ {s}}$

Позже квантовая теория позволила понять микроскопическое происхождение поля Вейсса. Обменное взаимодействие между локализованными спинами выступает параллель (в ферромагнетиках) или анти-параллельно (анти-ферромагнетиков) состояние соседних магнитных моментов

Структура домена [ править ]

Почему формируются домены [ править ]

Причина, по которой кусок магнитного материала, такой как железо, самопроизвольно делится на отдельные домены, а не существует в состоянии с намагниченностью в одном направлении по всему материалу, заключается в минимизации его внутренней энергии. ^[3] Большая область из ферромагнитного материала с постоянной намагниченностью повсюду создаст большое магнитное поле, распространяющееся во внешнее пространство (диаграмма а, справа) . Это требует большого количества магнитостатической энергии, хранящейся в поле. Чтобы уменьшить эту энергию, образец можно разделить на два домена с намагниченностью в противоположных направлениях в каждом домене (диаграмма b справа). Силовые линии магнитного поля проходят петлями в противоположных направлениях через каждый домен, уменьшая поле вне материала. Для дальнейшего уменьшения энергии поля каждый из этих доменов может также расщепляться, в результате чего образуются меньшие параллельные домены с намагниченностью в чередующихся направлениях, с меньшими величинами поля вне материала.

Доменная структура реальных магнитных материалов обычно не формируется в процессе разделения больших доменов на более мелкие, как описано здесь. Когда образец охлаждается ниже температуры Кюри, например, просто возникает конфигурация равновесной области. Но домены могут разделяться, и описание разделения доменов часто используется для выявления энергетических компромиссов при формировании доменов.

Размер доменов [ править ]

Как объяснялось выше, слишком большой домен нестабилен и будет делиться на более мелкие домены. Но достаточно маленький домен будет стабильным и не будет разделен, и это определяет размер доменов, созданных в материале. Этот размер зависит от баланса нескольких энергий в материале. ^[3] Каждый раз, когда область намагниченности разделяется на два домена, это создает доменную стенку между доменами, где магнитные диполи (молекулы) с намагниченностью, направленной в разные стороны, являются смежными. Обменное взаимодействиекоторая создает намагниченность - это сила, которая стремится выровнять близлежащие диполи так, чтобы они указывали в одном направлении. Чтобы заставить соседние диполи указывать в разных направлениях, требуется энергия. Следовательно, доменная стенка требует дополнительной энергии, называемой энергией доменной стенки , которая пропорциональна площади стенки.

Таким образом, чистое количество энергии, которое уменьшается при разделении домена, равно разнице между сохраненной энергией магнитного поля и дополнительной энергией, необходимой для создания доменной стенки. Энергия поля пропорциональна кубу размера домена, а энергия доменной стенки пропорциональна квадрату размера домена. Таким образом, по мере уменьшения размеров доменов чистая энергия, сэкономленная за счет разделения, уменьшается. Домены продолжают делиться на более мелкие домены, пока затраты энергии на создание дополнительной доменной стенки не станут как раз равными сохраненной энергии поля. Тогда домены такого размера стабильны. В большинстве материалов домены имеют микроскопические размеры, порядка 10 ^-4 - 10 ^-6 м. ^{[4] [5] [6]}

Магнитная анизотропия [ править ]

Дополнительный способ для материала дополнительно снизить свою магнитостатическую энергию - это формирование доменов с намагниченностью под прямым углом к ​​другим доменам (диаграмма c, справа) , а не только в противоположных параллельных направлениях. ^[3] Эти домены, называемые доменами замыкания потока , позволяют силовым линиям поворачиваться на 180 ° внутри материала, образуя замкнутые контуры полностью внутри материала, уменьшая магнитостатическую энергию до нуля. Однако формирование этих доменов связано с двумя дополнительными затратами энергии. Во-первых, кристаллическая решетка большинства магнитных материалов обладает магнитной анизотропией., что означает, что он имеет «легкое» направление намагничивания, параллельное одной из осей кристалла. Изменение намагниченности материала в любом другом направлении требует дополнительной энергии, называемой « энергией магнитокристаллической анизотропии ».

Магнитострикция [ править ]

Другие затраты энергии на создание доменов с намагниченностью под углом к ​​«легкому» направлению вызваны явлением, называемым магнитострикцией . ^[3] Когда намагничивание куска магнитного материала изменяется в другом направлении, это вызывает небольшое изменение его формы. Изменение магнитного поля заставляет молекулы магнитного диполя слегка изменять форму, делая кристаллическую решетку длиннее в одном измерении и короче в других измерениях. Однако, поскольку магнитный домен «сплющен», а его границы жестко удерживаются окружающим материалом, он фактически не может изменить форму. Вместо этого изменение направления намагничивания вызывает крошечные механические напряжения.в материале, требуя больше энергии для создания домена. Это называется « энергией магнитоупругой анизотропии ».

Чтобы сформировать эти замыкающие домены с "боковой" намагниченностью, требуется дополнительная энергия из-за вышеупомянутых двух факторов. Таким образом, домены, замыкающие поток, будут формироваться только там, где сохраненная магнитостатическая энергия больше, чем сумма «обменной энергии», необходимой для создания доменной стенки, энергии магнитокристаллической анизотропии и энергии магнитоупругой анизотропии. Следовательно, большая часть объема материала занята доменами с намагниченностью «вверх» или «вниз» вдоль «легкого» направления, и домены, замыкающие поток, образуются только на небольших участках на краях других доменов, где они находятся. необходимо обеспечить путь для линий магнитного поля, чтобы изменить направление (диаграмма c, выше) .

Структура зерна [ править ]

Вышеупомянутое описывает структуру магнитных доменов в идеальной кристаллической решетке, например, в монокристалле железа. Однако большинство магнитных материалов являются поликристаллическими , состоящими из микроскопических кристаллических зерен. Эти зерна не то же самое, что домены. Каждое зерно представляет собой небольшой кристалл, с кристаллическими решетками отдельных зерен, ориентированными в случайных направлениях. В большинстве материалов каждое зерно достаточно велико, чтобы содержать несколько доменов. Каждый кристалл имеет «легкую» ось намагничивания и разделен на домены с осью намагничивания, параллельной этой оси, в чередующихся направлениях.

"Намагниченные" состояния [ править ]

Можно видеть, что, хотя в микроскопическом масштабе почти все магнитные диполи в куске ферромагнитного материала выстроены параллельно своим соседям в доменах, создавая сильные локальные магнитные поля, минимизация энергии приводит к доменной структуре, которая сводит к минимуму большие масштабное магнитное поле. В самом низком энергетическом состоянии намагниченность соседних доменов указывает в разных направлениях, ограничивая силовые линии микроскопическими петлями между соседними доменами в материале, поэтому комбинированные поля сокращаются на расстоянии. Следовательно, массивный кусок ферромагнитного материала в его состоянии с наименьшей энергией имеет небольшое внешнее магнитное поле или не имеет его. О материале говорят, что он не намагничен.

Однако домены могут существовать и в других конфигурациях, в которых их намагниченность в основном направлена ​​в одном направлении, создавая внешнее магнитное поле. Хотя это не конфигурации с минимальной энергией, из-за явления, когда доменные стенки «прикрепляются» к дефектам кристаллической решетки, они могут быть локальными минимумами энергии и, следовательно, могут быть очень стабильными. Приложение внешнего магнитного поля к материалу может заставить доменные стенки двигаться, в результате чего домены, выровненные по полю, растут, а противоположные домены сжимаются. Когда внешнее поле удаляется, доменные стенки остаются закрепленными в своей новой ориентации, а выровненные домены создают магнитное поле. Вот что происходит, когда кусок ферромагнитного материала «намагничивается» и становитсяпостоянный магнит .

Нагревание магнита, подвергание его вибрации путем удара молотком или приложение быстро колеблющегося магнитного поля от размагничивающей катушки имеет тенденцию вытаскивать доменные стенки из их закрепленных состояний, и они возвращаются к конфигурации с более низкой энергией и меньшим внешним магнитным полем. , таким образом « размагничивая » материал.

Уравнение энергии Ландау-Лифшица [ править ]

Вклады различных факторов внутренней энергии, описанных выше, выражаются уравнением свободной энергии, предложенным Львом Ландау и Евгением Лифшицем в 1935 г. ^[7], которое составляет основу современной теории магнитных доменов. Доменная структура материала сводит к минимуму свободную энергию Гиббса материала. Для кристалла из магнитного материала это свободная энергия Ландау-Лифшица, E , которая является суммой этих энергетических членов: ^[8]

${\ displaystyle E = E_ {ex} + E_ {D} + E _ {\ lambda} + E_ {k} + E_ {H} \,}$    

куда

• E _ex - обменная энергия : это энергия, обусловленная обменным взаимодействием между магнитными дипольными молекулами в ферромагнетиках , ферримагнетиках и антиферромагнетиках . Он самый низкий, когда все диполи направлены в одном направлении, поэтому он отвечает за намагничивание магнитных материалов. Когда два домена с разными направлениями намагниченности находятся рядом друг с другом, на доменной границе между ними лежат направленные в разные стороны магнитные диполи, увеличивающие эту энергию. Эта дополнительная обменная энергия пропорциональна общей площади доменных стенок.
• E _D - магнитостатическая энергия : это собственная энергия, возникающая из-за взаимодействия магнитного поля, создаваемого намагниченностью в какой-то части образца, с другими частями того же образца. Это зависит от объема, занимаемого магнитным полем, выходящим за пределы домена. Эта энергия уменьшается за счет минимизации длины петель силовых линий магнитного поля за пределами домена. Например, это способствует тому, чтобы намагниченность была параллельна поверхностям образца, поэтому силовые линии не выходили за пределы образца. Уменьшение этой энергии является основной причиной создания магнитных доменов.
• E _λ - энергия магнитоупругой анизотропии : эта энергия возникает из-за эффекта магнитострикции , небольшого изменения размеров кристалла при намагничивании. Это вызывает упругие деформации в решетке, и предпочтение будет отдаваться направлению намагничивания, которое минимизирует эти энергии деформации. Эта энергия стремится к минимуму, когда оси намагничивания доменов в кристалле параллельны.
• E _k - энергия магнитокристаллической анизотропии : из-за своей магнитной анизотропии кристаллическую решетку «легко» намагничить в одном направлении и «трудно» - в других. Эта энергия сводится к минимуму, когда намагничивание направлено вдоль «легкой» оси кристалла, поэтому намагниченность большинства доменов в кристаллическом зерне имеет тенденцию быть в любом направлении вдоль «легкой» оси. Поскольку кристаллическая решетка в отдельных зернах материала обычно ориентирована в разных случайных направлениях, это приводит к тому, что доминирующая намагниченность доменов в разных зернах оказывается направленной в разные стороны.
• E _H - энергия Зеемана: Это энергия, которая добавляется или вычитается из магнитостатической энергии из-за взаимодействия между магнитным материалом и внешним магнитным полем. Он пропорционален отрицательному значению косинуса угла между векторами поля и намагниченности. Домены с их магнитным полем, ориентированным параллельно приложенному полю, уменьшают эту энергию, тогда как домены с их магнитным полем, ориентированным противоположно приложенному полю, увеличивают эту энергию. Таким образом, приложение магнитного поля к ферромагнитному материалу обычно вызывает перемещение доменных стенок так, чтобы увеличить размер доменов, лежащих в основном параллельно полю, за счет уменьшения размера доменов, противостоящих полю. Вот что происходит, когда ферромагнитные материалы «намагничиваются». При достаточно сильном внешнем поледомены, противостоящие полю, будут поглощены и исчезнут; это называетсянасыщенность .

Некоторые источники определяют энергию E _W стенки, равную сумме энергии обмена и энергии магнитокристаллической анизотропии, которая заменяет E _ex и E _k в приведенном выше уравнении.

Стабильная доменная структура - это функция намагничивания M ( x ), рассматриваемая как непрерывное векторное поле , которое минимизирует полную энергию E по всему материалу. Для нахождения минимумов используется вариационный метод , в результате чего получается набор нелинейных дифференциальных уравнений , названных уравнениями Брауна в честь Уильяма Фуллера Брауна-младшего. Хотя в принципе эти уравнения могут быть решены для стабильных конфигураций областей M ( x ), на практике только можно решить простейшие примеры. Аналитических решений не существует, а численные решения, рассчитанные методом конечных элементов.трудно поддаются вычислению из-за большой разницы в масштабе между размером домена и размером стенки. Поэтому микромагнетизм разработал приближенные методы, которые предполагают, что намагниченность диполей в объеме домена, вдали от стенки, все направлено в одном направлении, и численные решения используются только вблизи доменной стенки, где намагниченность быстро меняется. .

Методы визуализации доменов [ править ]

Существует ряд методов микроскопии, которые можно использовать для визуализации намагниченности на поверхности магнитного материала, выявляя магнитные домены. У каждого метода свое применение, потому что не все домены одинаковы. В магнитных материалах домены могут быть круглыми, квадратными, неправильными, удлиненными и полосатыми, причем все они имеют разные размеры и размеры.

Магнитооптический эффект Керра (MOKE) [ править ]

Большие домены в диапазоне от 25 до 100 микрометров можно легко увидеть с помощью микроскопии Керра , в которой используется магнитооптический эффект Керра , который представляет собой вращение поляризации света, отраженного от намагниченной поверхности.

Микроскопия Лоренца [ править ]

Лоренцевская микроскопия - это метод просвечивающей электронной микроскопии , используемый для изучения структур магнитных доменов с очень высоким разрешением. Внеосевая электронная голография - это родственный метод, используемый для наблюдения магнитных структур путем обнаружения наномасштабных магнитных полей.

Магнитно-силовая микроскопия (MFM) [ править ]

Другой метод для просмотра субмикроскопических доменных структур в масштабе нескольких нанометров - это магнитно-силовая микроскопия . MFM - это форма атомно-силовой микроскопии , в которой для сканирования поверхности образца используется наконечник зонда с магнитным покрытием.

Горький метод [ править ]

Горькие узоры - это метод визуализации магнитных доменов, который впервые наблюдал Фрэнсис Биттер . ^[9] Этот метод включает нанесение небольшого количества феррожидкости на поверхность ферромагнитного материала. Феррожидкость располагается вдоль стенок магнитных доменов , которые имеют более высокий магнитный поток, чем области материала, расположенные внутри доменов. Модифицированный метод Биттера был включен в широко используемое устройство, средство просмотра областей большой площади, которое особенно полезно при исследовании кремнистых сталей с ориентированной зеренной структурой . ^[10]

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

• Джайлз, Дэвид (1998). Введение в магнетизм и магнитные материалы . Лондон: Чепмен и Холл. ISBN 0-412-79860-3.

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме Магнитные домены .

• Magnetismus und Magnetooptik немецкий текст о магнетизме и магнитооптике.