dlaczego domeny formują się
powód, dla którego materiał magnetyczny, taki jak żelazo, spontanicznie dzieli się na oddzielne domeny, zamiast istnieć w stanie z namagnesowaniem w tym samym kierunku w całym materiale, ma zminimalizować jego wewnętrzną energię. Duży obszar materiału ferromagnetycznego o stałym namagnesowaniu w całym utworzy duże pole magnetyczne rozciągające się na zewnątrz przestrzeni (diagram a, po prawej). Wymaga to dużej ilości energii magnetostatycznej zgromadzonej w polu. Aby zmniejszyć tę energię, próbka może podzielić się na dwie domeny, z namagnesowaniem w przeciwnych kierunkach w każdej domenie (diagram B z prawej). Linie pola magnetycznego przechodzą w pętlach w przeciwnych kierunkach przez każdą domenę, zmniejszając pole poza materiałem. Aby jeszcze bardziej zmniejszyć energię pola, każda z tych domen może się również podzielić, co skutkuje mniejszymi równoległymi domenami z namagnesowaniem w naprzemiennych kierunkach, z mniejszymi ilościami pola poza materiałem.
struktura domenowa rzeczywistych materiałów magnetycznych zwykle nie powstaje w procesie podziału dużych domen na mniejsze, jak opisano tutaj. Na przykład, gdy próbka jest chłodzona poniżej temperatury Curie, pojawia się konfiguracja domeny równowagi. Ale domeny mogą się dzielić, a opis podziału domen jest często używany do ujawnienia kompromisów energetycznych w tworzeniu domen.
Rozmiar domenedytuj
jak wyjaśniono powyżej zbyt duża domena jest niestabilna i dzieli się na mniejsze domeny. Ale wystarczająco mała domena będzie stabilna i nie będzie się dzielić, co decyduje o wielkości domen utworzonych w materiale. Wielkość ta zależy od równowagi kilku energii w materiale. Za każdym razem, gdy obszar namagnesowania dzieli się na dwie domeny, tworzy ścianę domenową między domenami, w której sąsiadują dipole magnetyczne (cząsteczki) z namagnesowaniem skierowanym w różnych kierunkach. Interakcja wymiany, która tworzy namagnesowanie, jest siłą, która ma tendencję do wyrównywania pobliskich dipoli, aby skierowały się w tym samym kierunku. Zmuszanie sąsiednich dipoli do kierowania w różnych kierunkach wymaga energii. Dlatego ściana domeny wymaga dodatkowej energii, zwanej energią ściany domeny, która jest proporcjonalna do powierzchni ściany.
zatem wartość netto, że energia jest zmniejszona, gdy dziedzina dzieli jest równa różnicy między energii pola magnetycznego zaoszczędzone, a dodatkową energię potrzebną do utworzenia ściany domeny. Energia pola jest proporcjonalna do sześcianu wielkości domeny, podczas gdy energia ściany domeny jest proporcjonalna do kwadratu wielkości domeny. W miarę zmniejszania się domen zmniejsza się energia netto zaoszczędzona przez podział. Domeny dzielą się na mniejsze domeny, dopóki koszt energii związany z utworzeniem dodatkowej ściany domeny nie będzie równy zaoszczędzonej energii pola. Wtedy domeny tej wielkości są stabilne. W większości materiałów domeny mają wielkość mikroskopową, około 10-4 – 10-6 m.
anizotropia Magnetycznaedytuj
dodatkowym sposobem na dalsze zmniejszenie energii magnetostatycznej materiału jest tworzenie domen z namagnesowaniem pod kątem prostym do innych domen (diagram c, po prawej), zamiast tylko w przeciwnych kierunkach równoległych. Domeny te, zwane domenami zamknięcia strumienia, pozwalają linii pola obracać się o 180° w materiale, tworząc zamknięte pętle całkowicie w materiale, zmniejszając energię magnetostatyczną do zera. Tworzenie tych domen wiąże się jednak z dwoma dodatkowymi kosztami energii. Po pierwsze, siatka krystaliczna większości materiałów magnetycznych ma anizotropię magnetyczną, co oznacza, że ma „łatwy” kierunek namagnesowania, równoległy do jednej z osi krystalicznych. Zmiana namagnesowania materiału w dowolnym innym kierunku wymaga dodatkowej energii, zwanej „energią anizotropii magnetokrystalicznej”.
Magnetostrykcjaedytuj
inny koszt energii do tworzenia domen z namagnesowaniem pod kątem do kierunku „łatwego” jest spowodowany zjawiskiem zwanym magnetostrykcją. Gdy namagnesowanie kawałka materiału magnetycznego zmienia się w innym kierunku, powoduje to nieznaczną zmianę jego kształtu. Zmiana pola magnetycznego powoduje nieznaczną zmianę kształtu magnetycznych cząsteczek dipolowych, dzięki czemu sieć krystaliczna jest dłuższa w jednym wymiarze, a krótsza w innych wymiarach. Ponieważ jednak domena magnetyczna jest „zgnieciona”, a jej granice są sztywne przez otaczający materiał, nie może ona faktycznie zmienić kształtu. Zamiast tego zmiana kierunku namagnesowania powoduje niewielkie naprężenia mechaniczne w materiale, wymagające więcej energii do utworzenia domeny. Nazywa się to „energią anizotropii magnetoelastycznej”.
tworzenie tych domen zamknięcia z „bocznymi” namagnesowaniem wymaga dodatkowej energii ze względu na wyżej wymienione dwa czynniki. Tak więc domeny zamknięcia strumienia będą powstawać tylko wtedy, gdy zaoszczędzona energia magnetostatyczna jest większa niż suma „energii wymiany” w celu utworzenia ściany domeny, energii anizotropii magnetokrystalicznej i energii anizotropii magnetoelastycznej. Dlatego większość objętości materiału jest zajmowana przez domeny z namagnesowaniem „w górę „lub” w dół „wzdłuż” łatwego ” kierunku, a domeny zamknięcia strumienia tworzą się tylko w małych obszarach na krawędziach innych domen, gdzie są one potrzebne do zapewnienia ścieżki dla linii pola magnetycznego do zmiany kierunku (diagram c, powyżej).
struktura Ziarnaedytuj
powyżej opisano strukturę domeny magnetycznej w doskonałej sieci krystalicznej, takiej jak w pojedynczym krysztale żelaza. Jednak większość materiałów magnetycznych jest polikrystaliczna, złożona z mikroskopijnych ziaren krystalicznych. Ziarna te nie są takie same jak domeny. Każde ziarno jest małym kryształem, A sieci krystaliczne oddzielnych ziaren są zorientowane w losowych kierunkach. W większości materiałów każde ziarno jest wystarczająco duże, aby zawierać kilka domen. Każdy kryształ ma „łatwą” oś namagnesowania i jest podzielony na domeny z osią namagnesowania równoległą do tej osi, w alternatywnych kierunkach.
Stany „Namagnesowaneedit
można zauważyć, że chociaż w mikroskopijnej skali prawie wszystkie dipole magnetyczne w kawałku materiału ferromagnetycznego są ustawione równolegle do swoich sąsiadów w domenach, tworząc silne lokalne pola magnetyczne, minimalizacja energii skutkuje strukturą domenową, która minimalizuje pole magnetyczne na dużą skalę. W najniższym stanie energetycznym namagnesowanie sąsiednich domen wskazuje w różnych kierunkach, ograniczając linie pola do mikroskopijnych pętli między sąsiednimi domenami w materiale, więc połączone pola anulują się w pewnej odległości. W związku z tym większość materiału ferromagnetycznego w najniższym stanie energetycznym ma niewielkie lub żadne zewnętrzne pole magnetyczne. Mówi się, że materiał jest „niemagnetyzowany”.
domeny mogą jednak istnieć również w innych konfiguracjach, w których ich namagnesowanie w większości wskazuje w tym samym kierunku, tworząc zewnętrzne pole magnetyczne. Chociaż nie są to minimalne konfiguracje energii, ze względu na zjawisko, w którym ściany domeny stają się „przypięte” do defektów w sieci krystalicznej, mogą one być lokalnymi minimami energii, a zatem mogą być bardzo stabilne. Zastosowanie zewnętrznego pola magnetycznego do materiału może sprawić, że ściany domeny będą się przesuwać, powodując wzrost domen wyrównanych z polem, a przeciwległe domeny skurczą się. Po usunięciu pola zewnętrznego ściany domeny pozostają przypięte w nowej orientacji, a wyrównane domeny wytwarzają pole magnetyczne. Dzieje się tak, gdy kawałek materiału ferromagnetycznego zostaje „namagnesowany” i staje się magnesem trwałym.
ogrzewanie magnesu, poddanie go wibracjom przez wbijanie go, lub przyłożenie gwałtownie oscylującego pola magnetycznego z cewki rozmagnesowującej, ma tendencję do wyciągania ścian domeny z ich przypiętych stanów i powrócą one do niższej konfiguracji energii przy mniejszym zewnętrznym polu magnetycznym, a tym samym „rozmagnesowując” materiał.