varför domäner formEdit
anledningen till att en bit av magnetiska material som järn delar sig spontant i separata domäner, snarare än att existera i ett tillstånd med magnetisering i samma riktning genom hela materialet, är att minimera dess inre energi. En stor region av ferromagnetiskt material med en konstant magnetisering genomgående kommer att skapa ett stort magnetfält som sträcker sig in i utrymmet utanför sig själv (diagram a, höger). Detta kräver mycket magnetostatisk energi lagrad i fältet. För att minska denna energi kan provet delas upp i två domäner, med magnetiseringen i motsatta riktningar i varje domän (diagram B till höger). Magnetfältlinjerna passerar i slingor i motsatta riktningar genom varje domän, vilket minskar fältet utanför materialet. För att minska fältenergin ytterligare kan var och en av dessa domäner delas också, vilket resulterar i mindre parallella domäner med magnetisering i alternerande riktningar, med mindre mängder fält utanför materialet.
domänstrukturen för faktiska magnetiska material bildas vanligtvis inte genom processen med stora domäner som delas upp i mindre som beskrivs här. När ett prov kyls under Curie-temperaturen, till exempel, visas jämviktsdomänkonfigurationen helt enkelt. Men domäner kan delas, och beskrivningen av domäner delning används ofta för att avslöja energi kompromisser i domänbildning.
storlek på domänredigera
som förklarats ovan är en domän som är för stor instabil och kommer att delas upp i mindre domäner. Men en tillräckligt liten domän kommer att vara stabil och kommer inte att delas, och detta bestämmer storleken på domänerna som skapas i ett material. Denna storlek beror på balansen mellan flera energier i materialet. Varje gång en magnetiseringsregion delas upp i två domäner skapar den en domänvägg mellan domänerna, där magnetiska dipoler (molekyler) med magnetisering som pekar i olika riktningar ligger intill. Utbytesinteraktionen som skapar magnetiseringen är en kraft som tenderar att anpassa närliggande dipoler så att de pekar i samma riktning. Att tvinga intilliggande dipoler att peka i olika riktningar kräver energi. Därför kräver en domänvägg extra energi, kallad domänväggenergin, som är proportionell mot väggens yta.
således är nettomängden som energin reduceras när en domän delas lika med skillnaden mellan den sparade magnetfältenergin och den extra energi som krävs för att skapa domänväggen. Fältenergin är proportionell mot kuben i domänstorleken, medan domänväggenergin är proportionell mot kvadraten på domänstorleken. Så när domänerna blir mindre minskar nettoenergin som sparas genom delning. Domänerna fortsätter att delas upp i mindre domäner tills energikostnaden för att skapa en extra domänvägg är lika med den sparade fältenergin. Då är domänerna av denna storlek stabila. I de flesta material är domänerna mikroskopiska i storlek, runt 10-4 – 10-6 m.
magnetisk anisotropyEdit
ett ytterligare sätt för materialet att ytterligare minska sin magnetostatiska energi är att bilda domäner med magnetisering i rät vinkel mot de andra domänerna (diagram c, höger), istället för bara i motsatta parallella riktningar. Dessa domäner, som kallas flux stängningsdomäner, tillåter fältlinjerna att vända 180 kcal i materialet och bilda slutna slingor helt i materialet, vilket reducerar den magnetostatiska energin till noll. Att bilda dessa domäner medför dock ytterligare två energikostnader. För det första har kristallgitteret av de flesta magnetiska material Magnetisk anisotropi, vilket betyder att den har en ”lätt” magnetiseringsriktning parallellt med en av kristallaxlarna. Att ändra magnetiseringen av materialet till någon annan riktning tar ytterligare energi, kallad ”magnetokristallin anisotropienergi”.
MagnetostrictionEdit
den andra energikostnaden för att skapa domäner med magnetisering i en vinkel mot den ”lätta” riktningen orsakas av fenomenet magnetostriktion. När magnetiseringen av ett stycke magnetiskt material ändras till en annan riktning, orsakar det en liten förändring i sin form. Förändringen i magnetfältet får de magnetiska dipolmolekylerna att ändra form något, vilket gör kristallgitteret längre i en dimension och kortare i andra dimensioner. Men eftersom den magnetiska domänen ”kläms in” med sina gränser som hålls styva av det omgivande materialet, kan den faktiskt inte ändra form. Så istället förändrar magnetiseringsriktningen små mekaniska påkänningar i materialet, vilket kräver mer energi för att skapa domänen. Detta kallas”magnetoelastisk anisotropi energi”.
för att bilda dessa stängningsdomäner med” sidled ” magnetisering krävs ytterligare energi på grund av de ovannämnda två faktorerna. Så Flux closure domäner kommer bara att bildas där den magnetostatiska energin som sparas är större än summan av ”utbytesenergin” för att skapa domänväggen, den magnetokristallina anisotropienergin och den magnetoelastiska anisotropienergin. Därför upptas det mesta av volymen av materialet av domäner med magnetisering antingen ”upp” eller ”ner” längs den ”lätta” riktningen, och flödesstängningsdomänerna bildas endast i små områden vid kanterna på de andra domänerna där de behövs för att ge en väg för magnetfältlinjer för att ändra riktning (diagram c, ovan).
Kornstrukturredigera
ovanstående beskriver magnetisk domänstruktur i ett perfekt kristallgitter, såsom skulle hittas i en enda kristall av järn. Men de flesta magnetiska material är polykristallina, som består av mikroskopiska kristallina korn. Dessa korn är inte samma som domäner. Varje korn är en liten kristall, med kristallgitter av separata korn orienterade i slumpmässiga riktningar. I de flesta material är varje korn tillräckligt stort för att innehålla flera domäner. Varje kristall har en” lätt ” magnetiseringsaxel och är uppdelad i domäner med magnetiseringsaxeln parallell med denna axel, i alternativa riktningar.
” magnetiserad ” statedit
det kan ses att även om i mikroskopisk skala nästan alla magnetiska dipoler i ett stycke ferromagnetiskt material är uppradade parallellt med sina grannar i domäner, vilket skapar starka lokala magnetfält, resulterar energiminimering i en domänstruktur som minimerar det storskaliga magnetfältet. I sitt lägsta energitillstånd pekar magnetiseringen av angränsande domäner i olika riktningar, vilket begränsar fältlinjerna till mikroskopiska slingor mellan angränsande domäner i materialet, så de kombinerade fälten avbryter på avstånd. Därför har en bulkbit av ferromagnetiskt material i sitt lägsta energitillstånd litet eller inget yttre magnetfält. Materialet sägs vara”omagnetiserat”.
domänerna kan emellertid också existera i andra konfigurationer där deras magnetisering mestadels pekar i samma riktning, vilket skapar ett externt magnetfält. Även om dessa inte är minsta energikonfigurationer, på grund av ett fenomen där domänväggarna blir ”fästa” på defekter i kristallgitteret kan de vara lokala miniminivåer för energin och kan därför vara mycket stabila. Att applicera ett externt magnetfält på materialet kan få domänväggarna att röra sig, vilket får domänerna i linje med fältet att växa och de motsatta domänerna att krympa. När det externa fältet tas bort förblir domänväggarna fästa i sin nya orientering och de inriktade domänerna producerar ett magnetfält. Detta är vad som händer när en bit ferromagnetiskt material ”magnetiseras” och blir en permanentmagnet.
uppvärmning av en magnet, utsätter den för vibrationer genom att hamra den eller applicera ett snabbt oscillerande magnetfält från en degaussing-spole tenderar att dra domänväggarna fritt från sina fästa tillstånd, och de kommer att återgå till en lägre energikonfiguration med mindre yttre magnetfält, vilket ”demagnetiserar” materialet.