cum împărțirea unui material feromagnetic în domenii magnetice reduce energia magnetostatică

de ce domeniile formEdit

motivul pentru care o bucată de material magnetic cum ar fi fierul se împarte spontan în domenii separate, mai degrabă decât să existe într-o stare cu magnetizare în aceeași direcție în întregul material, este de a minimiza energia sa internă. O regiune mare de material feromagnetic cu o magnetizare constantă pe tot parcursul va crea un câmp magnetic mare care se extinde în spațiul din afara sa (diagrama a, dreapta). Acest lucru necesită multă energie magnetostatică stocată în câmp. Pentru a reduce această energie, eșantionul se poate împărți în două domenii, cu magnetizarea în direcții opuse în fiecare domeniu (diagrama b dreapta). Liniile câmpului magnetic trec în bucle în direcții opuse prin fiecare domeniu, reducând câmpul din afara materialului. Pentru a reduce și mai mult energia câmpului, fiecare dintre aceste domenii se poate împărți, rezultând domenii paralele mai mici cu magnetizare în direcții alternative, cu cantități mai mici de câmp în afara materialului.

structura domeniului materialelor magnetice reale nu se formează de obicei prin procesul de împărțire a domeniilor mari în cele mai mici, așa cum este descris aici. Când un eșantion este răcit sub temperatura Curie, de exemplu, apare pur și simplu configurația domeniului de echilibru. Dar Domeniile se pot împărți, iar descrierea divizării domeniilor este adesea folosită pentru a dezvălui compromisurile energetice în formarea domeniului.

Dimensiunea domainsEdit

după cum sa explicat mai sus, un domeniu care este prea mare este instabil și se va împărți în domenii mai mici. Dar un domeniu suficient de mic va fi stabil și nu se va împărți, iar acest lucru determină dimensiunea domeniilor create într-un material. Această dimensiune depinde de echilibrul mai multor energii din material. De fiecare dată când o regiune de magnetizare se împarte în două domenii, creează un perete de domeniu între domenii, unde dipoli magnetici (molecule) cu magnetizare îndreptată în direcții diferite sunt adiacente. Interacțiunea de schimb care creează magnetizarea este o forță care tinde să alinieze dipolii din apropiere, astfel încât aceștia să indice în aceeași direcție. Forțarea dipolilor adiacenți să indice în direcții diferite necesită energie. Prin urmare, un perete de domeniu necesită energie suplimentară, numită energie de perete de domeniu, care este proporțională cu suprafața peretelui.

astfel, cantitatea netă pe care energia este redusă atunci când un domeniu se împarte este egală cu diferența dintre energia câmpului magnetic economisită și energia suplimentară necesară pentru a crea peretele domeniului. Energia câmpului este proporțională cu cubul dimensiunii domeniului, în timp ce energia peretelui domeniului este proporțională cu pătratul dimensiunii domeniului. Deci, pe măsură ce domeniile devin mai mici, energia netă economisită prin divizare scade. Domeniile continuă să se împartă în domenii mai mici până când costul energetic al creării unui perete de domeniu suplimentar este doar egal cu energia câmpului economisită. Apoi domeniile de această dimensiune sunt stabile. În majoritatea materialelor domeniile au dimensiuni microscopice, în jur de 10-4 – 10-6 m.

anizotropie magnetică

Micrografie de suprafață a materialului feromagnetic, care prezintă boabele de cristal, fiecare împărțit în mai multe domenii paralele cu axa sa „ușoară” de magnetizare, cu magnetizarea în direcții alternante (zone roșii și verzi).

animație care arată cum funcționează magnetostricția. Un câmp magnetic extern în schimbare determină rotirea dipolilor magnetici, schimbând dimensiunile rețelei cristaline.

o modalitate suplimentară pentru ca materialul să-și reducă și mai mult energia magnetostatică este de a forma domenii cu magnetizare în unghi drept față de celelalte domenii (diagrama c, dreapta), în loc de doar în direcții paralele opuse. Aceste domenii, numite domenii de închidere a fluxului, permit liniilor de câmp să se rotească la 180 de milimetri în interiorul materialului, formând bucle închise în întregime în interiorul materialului, reducând energia magnetostatică la zero. Cu toate acestea, formarea acestor domenii implică două costuri suplimentare de energie. În primul rând, rețeaua cristalină a majorității materialelor magnetice are anizotropie magnetică, ceea ce înseamnă că are o direcție „ușoară” de magnetizare, paralelă cu una dintre axele cristalului. Schimbarea magnetizării materialului în orice altă direcție necesită energie suplimentară, numită „energie de anizotropie magnetocristalină”.

MagnetostrictionEdit

celălalt cost de energie pentru crearea domeniilor cu magnetizare la un unghi față de direcția „ușoară” este cauzat de fenomenul numit magnetostriction. Când magnetizarea unei bucăți de material magnetic este schimbată într-o direcție diferită, aceasta provoacă o ușoară schimbare a formei sale. Schimbarea câmpului magnetic determină moleculele dipol magnetice să-și schimbe ușor forma, făcând rețeaua cristalină mai lungă într-o dimensiune și mai scurtă în alte dimensiuni. Cu toate acestea, deoarece domeniul magnetic este „strivit” cu limitele sale ținute rigide de materialul înconjurător, acesta nu își poate schimba forma. Deci, în schimb, schimbarea direcției magnetizării induce mici solicitări mecanice în material, necesitând mai multă energie pentru a crea domeniul. Aceasta se numește „energie de anizotropie magnetoelastică”.

pentru a forma aceste domenii de închidere cu magnetizare „laterală” necesită energie suplimentară datorită celor doi factori menționați mai sus. Deci, domeniile de închidere a fluxului se vor forma doar acolo unde energia magnetostatică economisită este mai mare decât suma „energiei de schimb” pentru a crea peretele domeniului, energia anizotropiei magnetocristaline și energia anizotropiei magnetoelastice. Prin urmare, cea mai mare parte a volumului materialului este ocupată de domenii cu magnetizare fie „în sus”, fie „în jos” de-a lungul direcției „ușoare”, iar domeniile de închidere a fluxului se formează doar în zone mici la marginile celorlalte domenii unde sunt necesare pentru a oferi o cale pentru liniile câmpului magnetic pentru a schimba direcția (diagrama c, de mai sus).

structura cerealelor

cele de mai sus descriu structura domeniului magnetic într-o rețea cristalină perfectă, cum ar fi găsită într-un singur cristal de fier. Cu toate acestea, majoritatea materialelor magnetice sunt policristaline, compuse din granule cristaline microscopice. Aceste boabe nu sunt aceleași cu domeniile. Fiecare bob este un cristal mic, cu grilele de cristal ale boabelor separate orientate în direcții aleatorii. În majoritatea materialelor, fiecare bob este suficient de mare pentru a conține mai multe domenii. Fiecare cristal are o axă de magnetizare „ușoară” și este împărțit în domenii cu axa de magnetizare paralelă cu această axă, în direcții alternative.

„magnetizat” statesEdit

se poate observa că, deși la scară microscopică aproape toți dipolii magnetici dintr-o bucată de material feromagnetic sunt aliniați paralel cu vecinii lor în domenii, creând câmpuri magnetice locale puternice, minimizarea energiei are ca rezultat o structură de domeniu care minimizează câmpul magnetic pe scară largă. În cea mai mică stare de energie, magnetizarea domeniilor vecine indică direcții diferite, limitând liniile de câmp la bucle microscopice între domeniile vecine din material, astfel încât câmpurile combinate se anulează la distanță. Prin urmare, o bucată de material feromagnetic în cea mai mică stare de energie are un câmp magnetic extern mic sau deloc. Se spune că materialul este”nemagnetizat”.cu toate acestea, domeniile pot exista și în alte configurații în care magnetizarea lor indică în cea mai mare parte în aceeași direcție, creând un câmp magnetic extern. Deși acestea nu sunt configurații minime de energie, datorită unui fenomen în care pereții domeniului devin „fixați” de defectele rețelei cristaline, pot fi minime locale ale energiei și, prin urmare, pot fi foarte stabile. Aplicarea unui câmp magnetic extern materialului poate face ca pereții domeniului să se miște, determinând creșterea domeniilor aliniate cu câmpul și micșorarea domeniilor opuse. Când câmpul extern este îndepărtat, pereții domeniului rămân fixați în noua lor orientare, iar domeniile aliniate produc un câmp magnetic. Acest lucru se întâmplă atunci când o bucată de material feromagnetic este „magnetizată” și devine un magnet permanent.

încălzirea unui magnet, supunerea acestuia la vibrații prin ciocănirea acestuia sau aplicarea unui câmp magnetic oscilant rapid dintr-o bobină de degaussing, tinde să tragă pereții domeniului liber de stările lor fixate și vor reveni la o configurație de energie mai mică, cu un câmp magnetic extern mai mic, astfel „demagnetizând” Materialul.