hvordan dele et ferromagnetisk materiale inn i magnetiske domener reduserer magnetostatisk energi

hvorfor domener formEdit

grunnen til at et stykke magnetisk materiale som jern deler seg spontant i separate domener, i stedet for å eksistere i en tilstand med magnetisering i samme retning gjennom materialet, er å minimere sin indre energi. Et stort område av ferromagnetisk materiale med konstant magnetisering gjennom vil skape et stort magnetfelt som strekker seg inn i rommet utenfor seg selv (diagram a, høyre). Dette krever mye magnetostatisk energi lagret i feltet. For å redusere denne energien kan prøven deles i to domener, med magnetiseringen i motsatte retninger i hvert domene (diagram b til høyre). Magnetfeltlinjene passerer i løkker i motsatt retning gjennom hvert domene, og reduserer feltet utenfor materialet. For å redusere feltenergien ytterligere, kan hvert av disse domenene dele seg også, noe som resulterer i mindre parallelle domener med magnetisering i vekslende retninger, med mindre mengder felt utenfor materialet.

domenestrukturen til faktiske magnetiske materialer dannes vanligvis ikke ved at store domener splittes i mindre som beskrevet her. Når en prøve avkjøles under Curie-temperaturen, for eksempel, vises likevektsdomenekonfigurasjonen ganske enkelt. Men domener kan splittes, og beskrivelsen av domener splitting brukes ofte til å avsløre energiavvikene i domeneformasjonen.

Størrelsen på domainsEdit

som forklart ovenfor et domene som er for stort er ustabilt, og vil dele seg i mindre domener. Men et lite nok domene vil være stabilt og vil ikke splitte, og dette bestemmer størrelsen på domenene som er opprettet i et materiale. Denne størrelsen avhenger av balansen mellom flere energier i materialet. Hver gang en region med magnetisering deler seg i to domener, skaper den en domenevegg mellom domenene, hvor magnetiske dipoler (molekyler) med magnetisering som peker i forskjellige retninger er tilstøtende. Utvekslingsinteraksjonen som skaper magnetiseringen er en kraft som har en tendens til å justere nærliggende dipoler slik at de peker i samme retning. Tvinge tilstøtende dipoler til å peke i forskjellige retninger krever energi. Derfor krever en domenevegg ekstra energi, kalt domeneveggenergien, som er proporsjonal med veggens område.

dermed nettobeløpet som energien reduseres når et domene deler er lik forskjellen mellom magnetfeltenergien lagret, og den ekstra energien som kreves for å opprette domeneveggen. Feltenergien er proporsjonal med kuben av domenestørrelsen, mens domeneveggen er proporsjonal med kvadratet av domenestørrelsen. Så som domenene blir mindre, reduseres nettoenergien ved å splitte. Domenene fortsetter å dele seg i mindre domener til energikostnaden ved å opprette en ekstra domenevegg er like lik feltenergien som er lagret. Da er domenene av denne størrelsen stabile. I de fleste materialer er domenene mikroskopiske i størrelse, rundt 10-4 – 10-6 m.

Magnetisk anisotropyEdit

en annen måte for materialet å ytterligere redusere sin magnetostatiske energi er å danne domener med magnetisering i rett vinkel til de andre domenene (diagram c, høyre), i stedet for bare i motsatte parallelle retninger. Disse domenene, kalt flux closure domains, tillater feltlinjene å slå 180° i materialet, danner lukkede løkker helt i materialet, og reduserer den magnetostatiske energien til null. Imidlertid utgjør disse domenene to ekstra energikostnader. For det første har krystallgitteret av de fleste magnetiske materialer magnetisk anisotropi, noe som betyr at den har en «lett» retning av magnetisering, parallelt med en av krystallaksene. Endring av magnetiseringen av materialet til en annen retning tar ekstra energi, kalt «magnetokrystallinsk anisotropienergi».

MagnetostrictionEdit

den andre energikostnaden for å skape domener med magnetisering i en vinkel mot den «enkle» retningen er forårsaket av fenomenet kalt magnetostriksjon. Når magnetiseringen av et stykke magnetisk materiale endres til en annen retning, forårsaker det en liten forandring i form. Forandringen i magnetfeltet fører til at de magnetiske dipolmolekylene endrer form litt, noe som gjør krystallgitteret lengre i en dimensjon og kortere i andre dimensjoner. Men siden det magnetiske domenet er «squished in» med sine grenser holdt stive av det omkringliggende materialet, kan det faktisk ikke endre form. Så i stedet endrer retningen av magnetiseringen små mekaniske påkjenninger i materialet, noe som krever mer energi for å skape domenet. Dette kalles»magnetoelastisk anisotropi energi».

for å danne disse lukkedomenene med» sidelengs » magnetisering krever ekstra energi på grunn av de to nevnte faktorene. Så flux closure domener vil bare danne hvor den magnetostatiske energien som er lagret, er større enn summen av «utvekslingsenergien» for å skape domeneveggen, den magnetokrystallinske anisotropienergien og den magnetoelastiske anisotropienergien. Derfor er det meste av volumet av materialet okkupert av domener med magnetisering enten » opp «eller» ned «langs den» enkle » retningen, og fluxlukkingsdomenene dannes bare i små områder ved kantene av de andre domenene der de trengs for å gi en bane for magnetfeltlinjer for å endre retning (diagram c, over).

Kornstrukturrediger

ovennevnte beskriver magnetisk domenestruktur i et perfekt krystallgitter, slik som ville bli funnet i en enkelt krystall av jern. Men de fleste magnetiske materialer er polykrystallinsk, består av mikroskopiske krystallinske korn. Disse korn er ikke det samme som domener. Hvert korn er en liten krystall, med krystallgitterene av separate korn orientert i tilfeldige retninger. I de fleste materialer er hvert korn stort nok til å inneholde flere domener. Hver krystall har en «lett» magnetiseringsakse, og er delt inn i domener med magnetiseringsaksen parallelt med denne aksen, i alternative retninger.

«Magnetisert» statesEdit

det kan sees at, selv om i mikroskopisk skala nesten alle magnetiske dipoler i et stykke ferromagnetisk materiale er stilt opp parallelt med sine naboer i domener, og skaper sterke lokale magnetfelt, energi minimering resulterer i et domene struktur som minimerer storskala magnetfelt. I sin laveste energitilstand peker magnetiseringen av nabodomener i forskjellige retninger, og begrenser feltlinjene til mikroskopiske løkker mellom nabodomener i materialet, slik at de kombinerte feltene avbrytes på avstand. Derfor har et bulkstykke ferromagnetisk materiale i sin laveste energitilstand lite eller ingen eksternt magnetfelt. Materialet sies å være «unmagnetized».imidlertid kan domenene også eksistere i andre konfigurasjoner der deres magnetisering hovedsakelig peker i samme retning, og skaper et eksternt magnetfelt. Selv om disse ikke er minimale energikonfigurasjoner, på grunn av et fenomen der domeneveggene blir «festet» til feil i krystallgitteret, kan de være lokale minimum av energien, og kan derfor være svært stabile. Bruk av et eksternt magnetfelt til materialet kan få domeneveggene til å bevege seg, noe som fører til at domenene på linje med feltet vokser, og de motsatte domenene krymper. Når det eksterne feltet er fjernet, forblir domeneveggene festet i sin nye retning, og de justerte domenene produserer et magnetfelt. Dette er hva som skjer når et stykke ferromagnetisk materiale er «magnetisert» og blir en permanent magnet.Oppvarming av en magnet, utsette den for vibrasjon ved å hamre den, eller bruke et raskt oscillerende magnetfelt fra en degaussing-spole, har en tendens til å trekke domeneveggene fri fra deres festede tilstander, og de vil gå tilbake til en lavere energikonfigurasjon med mindre eksternt magnetfelt, og dermed «demagnetisere» materialet.