Warum Domänen gebildet werdenbearbeiten
Der Grund, warum sich ein Stück magnetisches Material wie Eisen spontan in separate domänen, anstatt in einem Zustand mit Magnetisierung in der gleichen Richtung im gesamten Material zu existieren, sollen seine innere Energie minimieren. Ein großer Bereich aus ferromagnetischem Material mit einer konstanten Magnetisierung erzeugt ein großes Magnetfeld, das sich in den Raum außerhalb von sich selbst erstreckt (Diagramm a, rechts). Dies erfordert eine Menge magnetostatischer Energie, die im Feld gespeichert ist. Um diese Energie zu reduzieren, kann sich die Probe in zwei Domänen aufteilen, wobei die Magnetisierung in jeder Domäne in entgegengesetzte Richtungen verläuft (Diagramm b rechts). Die Magnetfeldlinien verlaufen in Schleifen in entgegengesetzten Richtungen durch jede Domäne und reduzieren das Feld außerhalb des Materials. Um die Feldenergie weiter zu reduzieren, kann sich jede dieser Domänen auch aufspalten, was zu kleineren parallelen Domänen mit Magnetisierung in wechselnden Richtungen mit kleineren Feldmengen außerhalb des Materials führt.Die Domänenstruktur tatsächlicher magnetischer Materialien entsteht normalerweise nicht durch den Prozess der Aufspaltung großer Domänen in kleinere, wie hier beschrieben. Wenn eine Probe beispielsweise unter die Curie-Temperatur abgekühlt wird, erscheint einfach die Gleichgewichtsdomänenkonfiguration. Domänen können sich jedoch aufteilen, und die Beschreibung der Domänenaufteilung wird häufig verwendet, um die Energiekompromisse bei der Domänenbildung aufzudecken.
Size of domainsEdit
Wie oben erläutert, ist eine zu große Domain instabil und wird sich in kleinere Domains aufteilen. Eine ausreichend kleine Domäne ist jedoch stabil und teilt sich nicht, was die Größe der in einem Material erstellten Domänen bestimmt. Diese Größe hängt vom Gleichgewicht mehrerer Energien innerhalb des Materials ab. Jedes Mal, wenn sich ein Magnetisierungsbereich in zwei Domänen aufteilt, entsteht eine Domänenwand zwischen den Domänen, in der magnetische Dipole (Moleküle) mit Magnetisierung in verschiedene Richtungen benachbart sind. Die Austauschwechselwirkung, die die Magnetisierung erzeugt, ist eine Kraft, die dazu neigt, nahe gelegene Dipole so auszurichten, dass sie in die gleiche Richtung zeigen. Das Zwingen benachbarter Dipole, in verschiedene Richtungen zu zeigen, erfordert Energie. Daher erfordert eine Domänenwand zusätzliche Energie, die als Domänenwandenergie bezeichnet wird und proportional zur Fläche der Wand ist.
Somit ist der Nettobetrag, den die Energie reduziert wird, wenn sich eine Domäne aufteilt, gleich der Differenz zwischen der eingesparten Magnetfeldenergie und der zusätzlichen Energie, die zum Erstellen der Domänenwand erforderlich ist. Die Feldenergie ist proportional zum Würfel der Domänengröße, während die Domänenwandenergie proportional zum Quadrat der Domänengröße ist. Wenn die Domänen kleiner werden, nimmt die durch die Spaltung eingesparte Nettoenergie ab. Die Domänen teilen sich immer wieder in kleinere Domänen auf, bis die Energiekosten für die Schaffung einer zusätzlichen Domänenwand genau der eingesparten Feldenergie entsprechen. Dann sind die Domänen dieser Größe stabil. In den meisten Materialien sind die Domänen mikroskopisch groß, etwa 10-4 – 10-6 m.
Magnetische Anisotropieedit
Eine weitere Möglichkeit für das Material, seine magnetostatische Energie weiter zu reduzieren, besteht darin, Domänen mit Magnetisierung im rechten Winkel zu den anderen Domänen (Diagramm c, rechts) zu bilden, anstatt nur in entgegengesetzten parallelen Richtungen. Diese Domänen, Flussschlussdomänen genannt, ermöglichen es den Feldlinien, sich innerhalb des Materials um 180 ° zu drehen, wodurch geschlossene Schleifen vollständig innerhalb des Materials gebildet werden, wodurch die magnetostatische Energie auf Null reduziert wird. Die Bildung dieser Domänen verursacht jedoch zwei zusätzliche Energiekosten. Erstens hat das Kristallgitter der meisten magnetischen Materialien eine magnetische Anisotropie, was bedeutet, dass es eine „einfache“ Magnetisierungsrichtung parallel zu einer der Kristallachsen hat. Das Ändern der Magnetisierung des Materials in eine andere Richtung erfordert zusätzliche Energie, die als „magnetocrystalline Anisotropieenergie“ bezeichnet wird.
Magnetostriktionbearbeiten
Die anderen Energiekosten für die Erzeugung von Domänen mit Magnetisierung in einem Winkel zur „einfachen“ Richtung werden durch das Phänomen der Magnetostriktion verursacht. Wenn die Magnetisierung eines Stücks magnetischen Materials in eine andere Richtung geändert wird, bewirkt dies eine geringfügige Änderung seiner Form. Die Änderung des Magnetfeldes bewirkt, dass die magnetischen Dipolmoleküle ihre Form geringfügig ändern, wodurch das Kristallgitter in einer Dimension länger und in anderen Dimensionen kürzer wird. Da die magnetische Domäne jedoch mit ihren Grenzen, die vom umgebenden Material starr gehalten werden, „eingequetscht“ wird, kann sie ihre Form nicht ändern. Stattdessen induziert die Änderung der Richtung der Magnetisierung winzige mechanische Spannungen im Material, die mehr Energie erfordern, um die Domäne zu erzeugen. Dies wird als „magnetoelastische Anisotropieenergie“ bezeichnet.
Um diese Verschlussdomänen mit „seitlicher“ Magnetisierung zu bilden, ist aufgrund der beiden oben genannten Faktoren zusätzliche Energie erforderlich. Flussschlussdomänen bilden sich also nur dort, wo die eingesparte magnetostatische Energie größer ist als die Summe der „Austauschenergie“ zur Erzeugung der Domänenwand, der magnetokristallinen Anisotropieenergie und der magnetoelastischen Anisotropieenergie. Daher ist der größte Teil des Volumens des Materials von Domänen mit Magnetisierung entweder „nach oben“ oder „nach unten“ entlang der „leichten“ Richtung besetzt, und die Flussverschlussdomänen bilden sich nur in kleinen Bereichen an den Rändern der anderen Domänen, wo sie benötigt werden, um einen Pfad für magnetische Feldlinien bereitzustellen, um die Richtung zu ändern (Diagramm c, oben).
Kornstrukturbearbeiten
Das Obige beschreibt die magnetische Domänenstruktur in einem perfekten Kristallgitter, wie es in einem Einkristall aus Eisen zu finden wäre. Die meisten magnetischen Materialien sind jedoch polykristallin und bestehen aus mikroskopisch kleinen kristallinen Körnern. Diese Körner sind nicht die gleichen wie Domänen. Jedes Korn ist ein kleiner Kristall, wobei die Kristallgitter einzelner Körner in zufälligen Richtungen ausgerichtet sind. In den meisten Materialien ist jedes Korn groß genug, um mehrere Domänen zu enthalten. Jeder Kristall hat eine „einfache“ Magnetisierungsachse und ist in Domänen unterteilt, wobei die Magnetisierungsachse parallel zu dieser Achse in abwechselnden Richtungen verläuft.
„Magnetisierte“ Zustandebearbeiten
Es ist ersichtlich, dass, obwohl im mikroskopischen Maßstab fast alle magnetischen Dipole in einem Stück ferromagnetischen Materials parallel zu ihren Nachbarn in Domänen angeordnet sind, wodurch starke lokale Magnetfelder erzeugt werden, die Energieminimierung zu einer Domänenstruktur führt, die das großflächige Magnetfeld minimiert. In seinem niedrigsten Energiezustand weist die Magnetisierung benachbarter Domänen in verschiedene Richtungen, wodurch die Feldlinien auf mikroskopische Schleifen zwischen benachbarten Domänen innerhalb des Materials beschränkt werden, so dass sich die kombinierten Felder in einem Abstand aufheben. Daher hat ein Schüttgut aus ferromagnetischem Material in seinem niedrigsten Energiezustand wenig oder kein externes Magnetfeld. Das Material soll „unmagnetisiert“ sein.
Die Domänen können jedoch auch in anderen Konfigurationen existieren, in denen ihre Magnetisierung meist in die gleiche Richtung zeigt und ein externes Magnetfeld erzeugt. Obwohl dies keine minimalen Energiekonfigurationen sind, können sie aufgrund eines Phänomens, bei dem die Domänenwände an Defekten im Kristallgitter „fixiert“ werden, lokale Minima der Energie sein und daher sehr stabil sein. Durch Anlegen eines externen Magnetfelds an das Material können sich die Domänenwände bewegen, wodurch die mit dem Feld ausgerichteten Domänen wachsen und die gegenüberliegenden Domänen schrumpfen. Wenn das externe Feld entfernt wird, bleiben die Domänenwände in ihrer neuen Ausrichtung fixiert und die ausgerichteten Domänen erzeugen ein Magnetfeld. Dies geschieht, wenn ein Stück ferromagnetisches Material „magnetisiert“ wird und zu einem Permanentmagneten wird.Das Erhitzen eines Magneten, das Vibrieren durch Hämmern oder das Anlegen eines schnell oszillierenden Magnetfelds von einer Entmagnetisierungsspule neigt dazu, die Domänenwände aus ihren festgesteckten Zuständen herauszuziehen, und sie kehren zu einer niedrigeren Energiekonfiguration mit weniger externem Magnetfeld zurück, wodurch das Material „entmagnetisiert“ wird.