Waarom domeinen formEdit
De reden een stuk van magnetisch materiaal zoals ijzer spontaan verdeelt in afzonderlijke domeinen, dan bestaan in een staat die met magnetisatie in dezelfde richting, in het materiaal, is het minimaliseren van de interne energie. Een groot gebied van ferromagnetisch materiaal met een constante magnetisatie zal een groot magnetisch veld creëren dat zich uitstrekt naar de ruimte buiten zichzelf (diagram a, rechts). Dit vereist veel magnetostatische energie opgeslagen in het veld. Om deze energie te verminderen, kan het monster in twee domeinen splitsen, met de magnetisatie in tegenovergestelde richtingen in elk domein (diagram B rechts). De magnetische veldlijnen passeren in lussen in tegengestelde richtingen door elk domein, waardoor het veld buiten het materiaal wordt verminderd. Om de veldenergie verder te verminderen, kan elk van deze domeinen ook splitsen, wat resulteert in kleinere parallelle domeinen met magnetisatie in afwisselende richtingen, met kleinere hoeveelheden veld buiten het materiaal.
de domeinstructuur van werkelijke magnetische materialen wordt gewoonlijk niet gevormd door het proces van grote domeinen die in kleinere worden opgesplitst, zoals hier wordt beschreven. Wanneer een monster onder de Curie temperatuur wordt gekoeld, bijvoorbeeld, verschijnt de equilibrium domain configuratie. Maar domeinen kunnen splitsen, en de beschrijving van domeinen splitsen wordt vaak gebruikt om de energie afwegingen in domeinvorming te onthullen.
Grootte van domainsEdit
zoals hierboven uitgelegd een domein dat te groot is, is onstabiel, en zal zich verdelen in kleinere domeinen. Maar een klein genoeg domein zal stabiel zijn en zal niet splitsen, en dit bepaalt de grootte van de domeinen die in een materiaal. Deze grootte hangt af van de balans van verschillende energieën in het materiaal. Telkens wanneer een gebied van magnetisatie in twee domeinen splitst, leidt het tot een domeinmuur tussen de domeinen, waar de magnetische dipolen (molecules) met magnetisatie die in verschillende richtingen wijzen aangrenzend zijn. De uitwisseling interactie die de magnetisatie creëert is een kracht die de neiging heeft om nabijgelegen dipolen uit te lijnen zodat ze in dezelfde richting wijzen. Het forceren van aangrenzende dipolen om in verschillende richtingen te wijzen vereist energie. Daarom heeft een domeinwand extra energie nodig, de zogenaamde domeinwandenergie, die evenredig is met het oppervlak van de muur.
dus de netto hoeveelheid die de energie wordt verminderd wanneer een domein splitst is gelijk aan het verschil tussen de bespaarde magnetische veldenergie en de extra energie die nodig is om de domeinwand te creëren. De veldenergie is evenredig met de kubus van de domeingrootte, terwijl de domeinwandenergie evenredig is met het kwadraat van de domeingrootte. Dus als de domeinen kleiner worden, neemt de netto-energie die wordt bespaard door splitsing af. De domeinen blijven in kleinere domeinen verdelen totdat de energiekosten van het creëren van een extra domeinwand net gelijk zijn aan de energie die in het veld wordt bespaard. Dan zijn de domeinen van deze grootte stabiel. In de meeste materialen, de domeinen zijn microscopisch klein, rond 10-4 – 10-6 m.
Magnetische anisotropyEdit
een extra manier voor het materiaal om zijn magnetostatische energie verder te verminderen is om domeinen te vormen met magnetisatie loodrecht op de andere domeinen (diagram c, rechts), in plaats van alleen in tegengestelde parallelle richtingen. Deze domeinen, genoemd fluxsluitingsdomeinen, staan de veldlijnen toe om 180° binnen het materiaal te draaien, die gesloten lussen volledig binnen het materiaal vormen, die de magnetostatische energie tot nul verminderen. Het vormen van deze domeinen brengt echter twee extra energiekosten met zich mee. Ten eerste heeft het kristalrooster van de meeste magnetische materialen magnetische anisotropie, wat betekent dat het een “gemakkelijke” richting van magnetisatie heeft, parallel aan een van de kristalassen. Het veranderen van de magnetisatie van het materiaal naar een andere richting kost extra energie, genaamd de “magnetokristallijne anisotropie energie”.
Magnetostrictiedit
de andere energiekosten voor het creëren van domeinen met magnetisatie onder een hoek met de “easy” – richting worden veroorzaakt door het fenomeen magnetostrictie. Wanneer de magnetisatie van een stuk magnetisch materiaal wordt veranderd in een andere richting, veroorzaakt het een lichte verandering in de vorm. De verandering in magnetisch veld zorgt ervoor dat de magnetische dipoolmoleculen lichtjes van vorm veranderen, waardoor het kristalrooster langer wordt in één dimensie en korter in andere dimensies. Echter, omdat het magnetische domein is “squished in” met zijn grenzen stijf gehouden door het omringende materiaal, kan het eigenlijk niet van vorm veranderen. In plaats daarvan veroorzaakt het veranderen van de richting van de magnetisatie kleine mechanische spanningen in het materiaal, waardoor meer energie nodig is om het domein te creëren. Dit wordt “magnetoelastische anisotropie energie” genoemd.
om deze afsluitdomeinen met “zijwaartse” magnetisatie te vormen, is extra energie nodig als gevolg van de bovengenoemde twee factoren. Dus flux sluitdomeinen zullen zich alleen vormen waar de bespaarde magnetostatische energie groter is dan de som van de “uitwisselingsenergie” om de domeinwand, de magnetokristallijne anisotropie-energie en de magnetoelastische anisotropie-energie te creëren. Daarom wordt het grootste deel van het volume van het materiaal bezet door domeinen met magnetisatie “omhoog” of “omlaag” langs de “gemakkelijke” richting, en vormen de flux sluitdomeinen alleen in kleine gebieden aan de randen van de andere domeinen waar ze nodig zijn om een pad te bieden voor magnetische veldlijnen om van richting te veranderen (diagram c, hierboven).
korrelstructuur edit
het bovenstaande beschrijft de magnetische domeinstructuur in een perfect kristalrooster, zoals in een enkelkristal van ijzer. De meeste magnetische materialen zijn echter polykristallijne, bestaande uit microscopische kristallijne korrels. Deze korrels zijn niet hetzelfde als domeinen. Elke korrel is een klein kristal, met de kristalroosters van afzonderlijke korrels in willekeurige richtingen georiënteerd. In de meeste materialen is elke korrel groot genoeg om meerdere domeinen te bevatten. Elk kristal heeft een “gemakkelijke” as van magnetisatie, en is verdeeld in domeinen met de as van magnetisatie parallel aan deze as, in alternatieve richtingen.
“gemagnetiseerde” statedit
hoewel op microscopische schaal bijna alle magnetische dipolen in een stuk ferromagnetisch materiaal parallel aan hun buren in domeinen liggen, waardoor sterke lokale magnetische velden ontstaan, resulteert de minimalisering van energie in een domeinstructuur die het magnetisch veld op grote schaal minimaliseert. In zijn laagste energietoestand wijst de magnetisatie van naburige domeinen in verschillende richtingen, waarbij de veldlijnen worden beperkt tot microscopische lussen tussen naburige domeinen binnen het materiaal, zodat de gecombineerde velden op afstand annuleren. Daarom heeft een groot stuk ferromagnetisch materiaal in de laagste energietoestand weinig of geen extern magnetisch veld. Het materiaal zou “niet gemagnetiseerd” zijn.
de domeinen kunnen echter ook bestaan in andere configuraties waarin hun magnetisatie meestal in dezelfde richting wijst, waardoor een extern magnetisch veld ontstaat. Hoewel dit geen minimale energieconfiguraties zijn, kunnen door een fenomeen waarbij de domeinwanden worden “vastgepind” aan defecten in het kristalrooster lokale minima van de energie zijn en daarom zeer stabiel zijn. Het toepassen van een extern magnetisch veld op het materiaal kan de domeinwanden laten bewegen, waardoor de domeinen uitgelijnd met het veld groeien en de tegengestelde domeinen krimpen. Wanneer het externe veld wordt verwijderd, blijven de domeinwanden in hun nieuwe oriëntatie vastzitten en produceren de uitgelijnde domeinen een magnetisch veld. Dit is wat er gebeurt wanneer een stuk ferromagnetisch materiaal “gemagnetiseerd” wordt en een permanente magneet wordt.
een magneet verhitten, hem aan trillingen onderwerpen door hem te hameren of een snel Oscillerend magnetisch veld van een degausserspoel toe te passen, heeft de neiging om de domeinwanden vrij te trekken van hun vastgepinde toestand, en ze zullen terugkeren naar een lagere energieconfiguratie met minder extern magnetisch veld, waardoor het materiaal “demagnetiseren”.