Por qué se forman los dominios una pieza de material magnético, como el hierro, se divide espontáneamente en dominios separados, en lugar de existir en un estado con magnetización en la misma dirección en todo el material, es para minimizar su energía interna. Una gran región de material ferromagnético con una magnetización constante creará un gran campo magnético que se extenderá hacia el espacio exterior (diagrama a, derecha). Esto requiere una gran cantidad de energía magnetostática almacenada en el campo. Para reducir esta energía, la muestra puede dividirse en dos dominios, con la magnetización en direcciones opuestas en cada dominio (diagrama b a la derecha). Las líneas de campo magnético pasan en bucles en direcciones opuestas a través de cada dominio, reduciendo el campo fuera del material. Para reducir aún más la energía de campo, cada uno de estos dominios también se puede dividir, lo que resulta en dominios paralelos más pequeños con magnetización en direcciones alternas, con cantidades más pequeñas de campo fuera del material.
La estructura de dominio de los materiales magnéticos reales generalmente no se forma mediante el proceso de división de dominios grandes en dominios más pequeños como se describe aquí. Cuando una muestra se enfría por debajo de la temperatura de Curie, por ejemplo, simplemente aparece la configuración del dominio de equilibrio. Pero los dominios se pueden dividir, y la descripción de la división de dominios se usa a menudo para revelar las compensaciones de energía en la formación de dominios.
Tamaño de los domainseditar
Como se explicó anteriormente, un dominio que es demasiado grande es inestable y se dividirá en dominios más pequeños. Pero un dominio lo suficientemente pequeño será estable y no se dividirá, y esto determina el tamaño de los dominios creados en un material. Este tamaño depende del equilibrio de varias energías dentro del material. Cada vez que una región de magnetización se divide en dos dominios, crea una pared de dominio entre los dominios, donde los dipolos magnéticos (moléculas) con magnetización apuntando en diferentes direcciones están adyacentes. La interacción de intercambio que crea la magnetización es una fuerza que tiende a alinear dipolos cercanos para que apunten en la misma dirección. Forzar dipolos adyacentes a apuntar en diferentes direcciones requiere energía. Por lo tanto, una pared de dominio requiere energía adicional, llamada energía de la pared de dominio, que es proporcional al área de la pared.
Por lo tanto, la cantidad neta que la energía se reduce cuando un dominio se divide es igual a la diferencia entre la energía del campo magnético ahorrada y la energía adicional requerida para crear la pared del dominio. La energía del campo es proporcional al cubo del tamaño del dominio, mientras que la energía de la pared del dominio es proporcional al cuadrado del tamaño del dominio. A medida que los dominios se hacen más pequeños, la energía neta ahorrada por la división disminuye. Los dominios se siguen dividiendo en dominios más pequeños hasta que el costo de energía de crear un muro de dominio adicional sea igual a la energía de campo ahorrada. Entonces los dominios de este tamaño son estables. En la mayoría de los materiales, los dominios son microscópicos en tamaño, alrededor de 10-4 – 10-6 m.
Anisotropía magnéticaeditar
Una forma adicional para que el material reduzca aún más su energía magnetostática es formar dominios con magnetización en ángulo recto con los otros dominios (diagrama c, derecha), en lugar de solo en direcciones paralelas opuestas. Estos dominios, llamados dominios de cierre de flujo, permiten que las líneas de campo giren 180° dentro del material, formando bucles cerrados completamente dentro del material, reduciendo la energía magnetostática a cero. Sin embargo, formar estos dominios conlleva dos costos adicionales de energía. En primer lugar, la red cristalina de la mayoría de los materiales magnéticos tiene anisotropía magnética, lo que significa que tiene una dirección de magnetización «fácil», paralela a uno de los ejes de cristal. Cambiar la magnetización del material a cualquier otra dirección requiere energía adicional, llamada «energía de anisotropía magnetocristalina».
Magnetoestriccióneditar
El otro costo de energía para crear dominios con magnetización en un ángulo hacia la dirección «fácil» es causado por el fenómeno llamado magnetoestricción. Cuando la magnetización de una pieza de material magnético se cambia a una dirección diferente, causa un ligero cambio en su forma. El cambio en el campo magnético hace que las moléculas dipolares magnéticas cambien ligeramente de forma, haciendo que la red cristalina sea más larga en una dimensión y más corta en otras dimensiones. Sin embargo, dado que el dominio magnético está «aplastado» con sus límites sostenidos rígidamente por el material circundante, en realidad no puede cambiar de forma. Por lo tanto, cambiar la dirección de la magnetización induce pequeñas tensiones mecánicas en el material, lo que requiere más energía para crear el dominio. Esto se llama «energía de anisotropía magnetoelástica».
Para formar estos dominios de cierre con magnetización «lateral» se requiere energía adicional debido a los dos factores mencionados anteriormente. Por lo tanto, los dominios de cierre de flujo solo se formarán cuando la energía magnetostática ahorrada sea mayor que la suma de la «energía de intercambio» para crear la pared del dominio, la energía de anisotropía magnetocristalina y la energía de anisotropía magnetoelástica. Por lo tanto, la mayor parte del volumen del material está ocupado por dominios con magnetización «arriba» o «abajo» a lo largo de la dirección «fácil», y los dominios de cierre de flujo solo se forman en pequeñas áreas en los bordes de los otros dominios donde se necesitan para proporcionar un camino para que las líneas de campo magnético cambien de dirección (diagrama c, arriba).
Estructura de granuloedItar
Lo anterior describe la estructura de dominio magnético en una red cristalina perfecta, como la que se encontraría en un solo cristal de hierro. Sin embargo, la mayoría de los materiales magnéticos son policristalinos, compuestos de granos cristalinos microscópicos. Estos granos no son lo mismo que los dominios. Cada grano es un pequeño cristal, con las celosías de cristal de granos separados orientados en direcciones aleatorias. En la mayoría de los materiales, cada grano es lo suficientemente grande como para contener varios dominios. Cada cristal tiene un eje de magnetización «fácil», y se divide en dominios con el eje de magnetización paralelo a este eje, en direcciones alternativas.
Estados «magnetizadoseditar
Se puede ver que, aunque a escala microscópica casi todos los dipolos magnéticos en una pieza de material ferromagnético están alineados paralelos a sus vecinos en dominios, creando fuertes campos magnéticos locales, la minimización de energía resulta en una estructura de dominio que minimiza el campo magnético a gran escala. En su estado de energía más baja, la magnetización de dominios vecinos apunta en diferentes direcciones, confinando las líneas de campo a bucles microscópicos entre dominios vecinos dentro del material, por lo que los campos combinados se cancelan a una distancia. Por lo tanto, una pieza a granel de material ferromagnético en su estado de energía más baja tiene poco o ningún campo magnético externo. Se dice que el material está «sin magnetizar».
Sin embargo, los dominios también pueden existir en otras configuraciones en las que su magnetización apunta principalmente en la misma dirección, creando un campo magnético externo. Aunque estas no son configuraciones de energía mínima, debido a un fenómeno en el que las paredes del dominio se «fijan» a defectos en la red cristalina, pueden ser mínimos locales de la energía y, por lo tanto, pueden ser muy estables. La aplicación de un campo magnético externo al material puede hacer que las paredes del dominio se muevan, haciendo que los dominios alineados con el campo crezcan y que los dominios opuestos se contraigan. Cuando se elimina el campo externo, las paredes del dominio permanecen ancladas en su nueva orientación y los dominios alineados producen un campo magnético. Esto es lo que sucede cuando una pieza de material ferromagnético se «magnetiza» y se convierte en un imán permanente.
Calentar un imán, someterlo a vibraciones martillándolo, o aplicar un campo magnético que oscila rápidamente desde una bobina de desgaussing, tiende a tirar de las paredes del dominio libres de sus estados anclados, y volverán a una configuración de menor energía con menos campo magnético externo, lo que «desmagnetiza» el material.