miksi domeenitmuodostuvat
syy magneettisen materiaalin kappaleeseen kuten rauta spontaanisti jakautuu erillisiin verkkotunnuksia, sen sijaan olemassa tilassa magnetointi samaan suuntaan koko materiaali, on minimoida sen sisäinen energia. Suuri ferromagneettisen materiaalin alue, jonka magnetointi on koko ajan jatkuvaa, luo suuren magneettikentän, joka ulottuu itsensä ulkopuoliseen tilaan (kuva A, oikealla). Tämä vaatii paljon magnetostaattista energiaa, joka varastoituu kenttään. Tämän energian vähentämiseksi näyte voi jakautua kahteen domeeniin, joissa magnetointi on vastakkaisiin suuntiin kussakin domeenissa (kuva B oikealla). Magneettikenttäviivat kulkevat silmukoissa vastakkaisiin suuntiin kunkin domeenin läpi, mikä vähentää materiaalin ulkopuolista kenttää. Pienentääkseen kenttäenergiaa edelleen, jokainen näistä domeeneista voi jakautua myös, jolloin syntyy pienempiä rinnakkaisia domeeneja, joissa magnetointi tapahtuu vuorotteleviin suuntiin, jolloin kentän ulkopuolella on pienempiä määriä kenttää.
varsinaisten magneettisten materiaalien domeenirakenne ei yleensä muodostu suurten domeenien jakautuessa tässä kuvatulla tavalla pienemmiksi. Kun näyte jäähdytetään esimerkiksi Curien lämpötilan alapuolelle, tasapainodomeenin konfiguraatio yksinkertaisesti ilmestyy. Mutta verkkotunnuksia voi jakaa, ja kuvaus verkkotunnusten jakaminen käytetään usein paljastaa energia tradeoffs verkkotunnuksen muodostumista.
domainseditin koko
kuten yllä on selitetty liian suuri verkkotunnus on epävakaa ja jakautuu pienempiin verkkotunnuksiin. Mutta tarpeeksi pieni verkkotunnus on vakaa ja ei jaeta, ja tämä määrittää koko verkkotunnuksia luotu materiaali. Tämä koko riippuu useiden energioiden tasapainosta materiaalin sisällä. Joka kerta kun magnetoinnin alue jakautuu kahdeksi alueeksi, se luo domeenien välille domeeniseinän, jossa vierekkäin on magnetoinnin eri suuntiin osoittavia magneettisia dipoleja (molekyylejä). Magnetoinnin synnyttävä vaihtovuorovaikutus on voima, joka pyrkii kohdistamaan lähellä olevia dipoleja niin, että ne osoittavat samaan suuntaan. Vierekkäisten dipolien pakottaminen osoittamaan eri suuntiin vaatii energiaa. Siksi verkkotunnuksen seinä vaatii ylimääräistä energiaa, jota kutsutaan verkkotunnuksen seinäenergiaksi, joka on verrannollinen seinän pinta-alaan.
näin nettosumma, jonka energia pienenee verkkotunnuksen jakautuessa, on yhtä suuri kuin säästyneen magneettikentän energian ja verkkotunnuksen seinämän syntyyn tarvittavan lisäenergian erotus. Kentän energia on verrannollinen verkkotunnuksen koon kuutioon, kun taas verkkotunnuksen seinäenergia on verrannollinen verkkotunnuksen koon neliöön. Kun verkkotunnukset siis pienenevät, pilkkomalla säästetty nettoenergia pienenee. Verkkotunnukset pitää jakamalla pienempiin verkkotunnuksiin, kunnes energiakustannukset luoda ylimääräinen verkkotunnuksen seinä on vain yhtä kuin kentän energiaa säästyy. Sitten tämän kokoiset verkkotunnukset ovat vakaita. Useimmissa materiaaleissa domeenit ovat mikroskooppisen kokoisia, noin 10-4 – 10-6 m.
magneettinen anisotropyEdit
ylimääräinen tapa vähentää magnetostaattista energiaansa on muodostaa domeeneja, joiden magnetointi on suorassa kulmassa muihin domeeneihin nähden (kuva C, oikealla), eikä vain vastakkaisissa yhdensuuntaisissa suunnissa. Nämä domeenit, joita kutsutaan flux closure domaineiksi, mahdollistavat kenttäviivojen kääntymisen 180° materiaalin sisällä muodostaen suljettuja silmukoita kokonaan materiaalin sisällä, jolloin magnetostaattinen energia vähenee nollaan. Näiden alueiden muodostamisesta aiheutuu kuitenkin kaksi ylimääräistä energiakustannusta. Ensinnäkin useimpien magneettisten materiaalien kidehilalla on magneettinen anisotropia, eli sillä on ”helppo” magnetoitumissuunta, yhdensuuntainen jonkin kideakselin kanssa. Materiaalin magnetoinnin muuttaminen muuhun suuntaan vie lisäenergiaa, jota kutsutaan ”magnetokiteiseksi anisotropiaenergiaksi”.
MagnetostrictionEdit
muut energiakustannukset magnetoinnin kanssa kulmissa ”helppoon” suuntaan aiheuttavat magnetostriktioksi kutsutun ilmiön. Kun magneettisen materiaalin kappaleen magnetointi muuttuu toiseen suuntaan, se aiheuttaa pienen muutoksen sen muotoon. Magneettikentän muutos saa magneettiset dipolimolekyylit muuttamaan hieman muotoaan, jolloin kidehila on pidempi yhdessä ulottuvuudessa ja lyhyempi muissa ulottuvuuksissa. Koska magneettinen domeeni on kuitenkin” litistynyt ” ympäröivään materiaaliin kohdistuvine rajoineen, se ei voi itse asiassa muuttaa muotoaan. Sen sijaan magnetoinnin suunnan muuttaminen aiheuttaa materiaalissa pieniä mekaanisia jännityksiä, jotka vaativat enemmän energiaa verkkotunnuksen luomiseen. Tätä kutsutaan ”magnetoelastiseksi anisotropiaenergiaksi”.
näiden sulkukohtien muodostaminen ”sivuttaissuuntaisella” magnetoinnilla vaatii lisäenergiaa edellä mainittujen kahden tekijän vuoksi. Joten flux sulkeminen verkkotunnuksia muodostuu vain, jos magnetostaattinen energia säästyy on suurempi kuin summa ”vaihto energia” luoda verkkotunnuksen seinä, magnetokrystallinen anisotropia Energia, ja magnetoelastinen anisotropia energia. Siksi suurin osa materiaalin tilavuudesta on käytössä domeeneilla, joiden magnetointi on joko” ylös ”tai” alas ”” helppoa ” suuntaa pitkin, ja vuon sulkemisdomeeneja muodostuu vain pienillä alueilla muiden domeenien reunoilla, joissa niitä tarvitaan antamaan polku magneettikenttäviivoille suunnan muuttamiseksi (yllä oleva kaavio c).
Raerakennetta
edellä kuvattu kuvaa magneettisen domeenin rakennetta täydellisessä kidehilassa, jollainen olisi yksikiteisessä raudassa. Suurin osa magneettisista materiaaleista on kuitenkin monikiteisiä, jotka koostuvat mikroskooppisista kiteisistä jyvistä. Nämä jyvät eivät ole samoja kuin verkkotunnukset. Jokainen jyvä on pieni kide, jossa erillisten jyvien kideraidat ovat suuntautuneet satunnaisiin suuntiin. Useimmissa materiaaleissa jokainen jyvä on tarpeeksi suuri sisältämään useita verkkotunnuksia. Jokaisella Kiteellä on ”helppo” magnetointiakseli, ja se on jaettu domeeneihin, joiden magnetointiakseli on tämän akselin suuntainen, vaihtoehtoisiin suuntiin.
”magnetisoitu” toteaa
voidaan nähdä, että vaikka mikroskooppisessa mittakaavassa lähes kaikki ferromagneettisen materiaalin kappaleen magneettiset dipolit ovat vierekkäin verkkotunnuksissa, luoden voimakkaita paikallisia magneettikenttiä, energian minimointi johtaa domeenin rakenteeseen, joka minimoi suuren mittakaavan magneettikentän. Alimmassa energiatilassaan viereisten domeenien magnetointi osoittaa eri suuntiin rajoittaen kenttäviivat mikroskooppisiin silmukoihin viereisten domeenien välillä materiaalin sisällä,joten yhdistetyt kentät kumoutuvat etäisyydeltä. Siksi ferromagneettisen materiaalin kappaleella on alimmassa energiatilassaan vain vähän tai ei lainkaan ulkoista magneettikenttää. Materiaalin sanotaan olevan”ei-magneettista”.
domeeneja voi kuitenkin olla myös muissa konfiguraatioissa, joissa niiden magnetointi osoittaa useimmiten samaan suuntaan luoden ulkoisen magneettikentän. Vaikka nämä eivät ole minimienergiakonfiguraatioita, ilmiöstä johtuen, jossa domeeniseinät ”kiinnittyvät” kidehilan virheisiin, ne voivat olla paikallisia energian minimejä, ja siksi ne voivat olla hyvin stabiileja. Ulkoisen magneettikentän käyttäminen materiaaliin voi saada verkkotunnuksen seinät liikkumaan, jolloin kentän kanssa linjassa olevat verkkotunnukset kasvavat ja vastakkaiset verkkotunnukset kutistuvat. Kun ulkoinen kenttä poistetaan, verkkotunnuksen seinät jäävät puristuksiin uuteen suuntaansa ja kohdistetut verkkotunnukset tuottavat magneettikentän. Näin käy, kun ferromagneettinen kappale ”magnetisoituu” ja siitä tulee kestomagneetti.
magneetin kuumentaminen, sen altistaminen tärinälle takomalla sitä, tai degaussing-kelasta nopeasti värähtelevän magneettikentän levittäminen, on omiaan vetämään domeeniseinät irti puristetuista tiloistaan, ja ne palaavat pienemmän energian konfiguraatioon, jossa on vähemmän ulkoista magneettikenttää, jolloin materiaali ”demagnetisoituu”.