Perché domini formEdit
La ragione per cui un pezzo di materiale magnetico come il ferro, spontaneamente, si divide in domini separati, piuttosto che esistere in uno stato di magnetizzazione nella stessa direzione di tutto il materiale, è quello di minimizzare la sua energia interna. Una grande regione di materiale ferromagnetico con una magnetizzazione costante in tutto creerà un grande campo magnetico che si estende nello spazio esterno a se stesso (diagramma a, a destra). Ciò richiede molta energia magnetostatica immagazzinata nel campo. Per ridurre questa energia, il campione può dividere in due domini, con la magnetizzazione in direzioni opposte in ciascun dominio (diagramma b a destra). Le linee del campo magnetico passano in loop in direzioni opposte attraverso ogni dominio, riducendo il campo all’esterno del materiale. Per ridurre ulteriormente l’energia del campo, ciascuno di questi domini può anche dividersi, risultando in domini paralleli più piccoli con magnetizzazione in direzioni alternate, con minori quantità di campo al di fuori del materiale.
La struttura del dominio dei materiali magnetici reali di solito non si forma dal processo di grandi domini che si dividono in quelli più piccoli come descritto qui. Quando un campione viene raffreddato al di sotto della temperatura di Curie, ad esempio, viene visualizzata semplicemente la configurazione del dominio di equilibrio. Ma i domini possono dividere, e la descrizione di domini scissione è spesso usato per rivelare i compromessi di energia nella formazione del dominio.
Dimensione di domainsEdit
Come spiegato sopra un dominio troppo grande è instabile e si dividerà in domini più piccoli. Ma un dominio abbastanza piccolo sarà stabile e non si dividerà, e questo determina la dimensione dei domini creati in un materiale. Questa dimensione dipende dall’equilibrio di diverse energie all’interno del materiale. Ogni volta che una regione di magnetizzazione si divide in due domini, crea una parete di dominio tra i domini, dove dipoli magnetici (molecole) con magnetizzazione che punta in direzioni diverse sono adiacenti. L’interazione di scambio che crea la magnetizzazione è una forza che tende ad allineare i dipoli vicini in modo che puntino nella stessa direzione. Forzare i dipoli adiacenti a puntare in direzioni diverse richiede energia. Pertanto, un muro di dominio richiede energia extra, chiamata energia della parete di dominio, che è proporzionale all’area del muro.
Quindi la quantità netta che l’energia viene ridotta quando un dominio si divide è uguale alla differenza tra l’energia del campo magnetico risparmiata e l’energia aggiuntiva richiesta per creare la parete del dominio. L’energia del campo è proporzionale al cubo della dimensione del dominio, mentre l’energia della parete del dominio è proporzionale al quadrato della dimensione del dominio. Così come i domini diventano più piccoli, l’energia netta risparmiata dalla scissione diminuisce. I domini continuano a dividersi in domini più piccoli fino a quando il costo energetico della creazione di un muro di dominio aggiuntivo è uguale all’energia del campo risparmiata. Quindi i domini di queste dimensioni sono stabili. Nella maggior parte dei materiali i domini sono di dimensioni microscopiche, di circa 10-4 – 10-6 m.
Magnetico anisotropyEdit
Un ulteriore modo per il materiale di ridurre ulteriormente la sua energia magnetostatica è quello di formare domini con magnetizzazione ad angolo retto rispetto agli altri domini (diagramma c, a destra), invece che solo in direzioni parallele opposte. Questi domini, chiamati domini di chiusura del flusso, consentono alle linee di campo di ruotare di 180 ° all’interno del materiale, formando anelli chiusi interamente all’interno del materiale, riducendo l’energia magnetostatica a zero. Tuttavia, la formazione di questi domini comporta due costi energetici aggiuntivi. In primo luogo, il reticolo cristallino della maggior parte dei materiali magnetici ha anisotropia magnetica, il che significa che ha una direzione “facile” di magnetizzazione, parallela a uno degli assi cristallini. Cambiare la magnetizzazione del materiale in qualsiasi altra direzione richiede energia aggiuntiva, chiamata “energia anisotropia magnetocristallina”.
MagnetostrittionEdit
L’altro costo energetico per la creazione di domini con magnetizzazione ad angolo rispetto alla direzione “facile” è causato dal fenomeno chiamato magnetostrizione. Quando la magnetizzazione di un pezzo di materiale magnetico viene cambiata in una direzione diversa, provoca un leggero cambiamento nella sua forma. Il cambiamento nel campo magnetico fa sì che le molecole di dipolo magnetico cambino leggermente forma, rendendo il reticolo cristallino più lungo in una dimensione e più corto in altre dimensioni. Tuttavia, poiché il dominio magnetico è “schiacciato” con i suoi confini tenuti rigidi dal materiale circostante, non può effettivamente cambiare forma. Quindi, invece, cambiare la direzione della magnetizzazione induce piccole sollecitazioni meccaniche nel materiale, richiedendo più energia per creare il dominio. Questo è chiamato “energia anisotropia magnetoelastica”.
Per formare questi domini di chiusura con magnetizzazione “laterale” richiede energia aggiuntiva a causa dei due fattori sopra menzionati. Quindi i domini di chiusura del flusso si formeranno solo dove l’energia magnetostatica risparmiata è maggiore della somma dell ‘ “energia di scambio” per creare la parete del dominio, l’energia dell’anisotropia magnetocristallina e l’energia dell’anisotropia magnetoelastica. Pertanto, la maggior parte del volume del materiale è occupata da domini con magnetizzazione “su” o “giù” lungo la direzione “facile”, e i domini di chiusura del flusso si formano solo in piccole aree ai bordi degli altri domini dove sono necessari per fornire un percorso per le linee del campo magnetico per cambiare direzione (diagramma c, sopra).
Grain structureEdit
Quanto sopra descrive la struttura del dominio magnetico in un reticolo cristallino perfetto, come si troverebbe in un singolo cristallo di ferro. Tuttavia la maggior parte dei materiali magnetici sono policristallini, composti da microscopici grani cristallini. Questi grani non sono gli stessi dei domini. Ogni grano è un piccolo cristallo, con i reticoli cristallini di grani separati orientati in direzioni casuali. Nella maggior parte dei materiali, ogni grano è abbastanza grande da contenere diversi domini. Ogni cristallo ha un asse di magnetizzazione “facile” ed è diviso in domini con l’asse di magnetizzazione parallelo a questo asse, in direzioni alternative.
Stati “magnetizzati”
Si può vedere che, sebbene su scala microscopica quasi tutti i dipoli magnetici in un pezzo di materiale ferromagnetico siano allineati parallelamente ai loro vicini nei domini, creando forti campi magnetici locali, la minimizzazione dell’energia si traduce in una struttura di dominio che minimizza il campo magnetico su larga scala. Nel suo stato di energia più basso, la magnetizzazione dei domini vicini punta in direzioni diverse, limitando le linee di campo a loop microscopici tra domini vicini all’interno del materiale, quindi i campi combinati si annullano a distanza. Pertanto, un pezzo sfuso di materiale ferromagnetico nel suo stato di energia più basso ha poco o nessun campo magnetico esterno. Si dice che il materiale sia “non magnetizzato”.
Tuttavia, i domini possono esistere anche in altre configurazioni in cui la loro magnetizzazione punta principalmente nella stessa direzione, creando un campo magnetico esterno. Sebbene queste non siano configurazioni energetiche minime, a causa di un fenomeno in cui le pareti del dominio diventano “bloccate” a difetti nel reticolo cristallino possono essere minimi locali dell’energia, e quindi possono essere molto stabili. L’applicazione di un campo magnetico esterno al materiale può far muovere le pareti del dominio, causando la crescita dei domini allineati con il campo e la contrazione dei domini opposti. Quando il campo esterno viene rimosso, le pareti del dominio rimangono bloccate nel loro nuovo orientamento e i domini allineati producono un campo magnetico. Questo è ciò che accade quando un pezzo di materiale ferromagnetico viene “magnetizzato” e diventa un magnete permanente.
Riscaldando un magnete, sottoponendolo a vibrazioni martellandolo, o applicando un campo magnetico rapidamente oscillante da una bobina di smagnetizzazione, tende a liberare le pareti del dominio dai loro stati bloccati, e torneranno ad una configurazione di energia inferiore con meno campo magnetico esterno, quindi “smagnetizzando” il materiale.