Магнитный домен - Magnetic domain

Микрокристаллические зерна в куске Nd₂Fe₁₄B (сплав, используемый в неодимовые магниты ) с магнитными доменами, видимыми с помощью Микроскоп Керра. Домены представляют собой светлые и темные полосы, видимые внутри каждого зерна. Выделенное зерно имеет магнитокристаллическую ось почти вертикально, поэтому домены видны с торцов.

А магнитный домен представляет собой область внутри магнитного материала, в которой намагниченность имеет однородное направление. Это означает, что человек магнитные моменты атомов выровнены друг с другом и указывают в одном направлении. При охлаждении ниже температуры, называемой Температура Кюри, намагниченность куска ферромагнитный материал самопроизвольно делится на множество небольших областей, называемых магнитными доменами. Намагниченность внутри каждого домена указывает в одном направлении, но намагниченность разных доменов может указывать в разных направлениях. Магнитная доменная структура отвечает за магнитное поведение ферромагнитный материалы как утюг, никель, кобальт и их сплавы, и ферримагнитный материалы как феррит. Это включает формирование постоянные магниты и притяжение ферромагнитных материалов к магнитному полю. Области, разделяющие магнитные домены, называются доменные стены, где намагниченность когерентно вращается от направления в одном домене к направлению в следующем домене. Изучение магнитных доменов называется микромагнетизм.

Магнитные домены образуются в материалах, которые имеют магнитный заказ; то есть их диполи спонтанно выравниваются из-за обменное взаимодействие. Эти ферромагнитный, ферримагнитный и антиферромагнитный материалы. Парамагнитный и диамагнитный материалы, в которых диполи выравниваются в ответ на внешнее поле, но не выравниваются самопроизвольно, не имеют магнитных доменов.

Развитие теории предметной области

Теория магнитных доменов была разработана французским физиком. Пьер-Эрнест Вайс^[1] который в 1906 г. предположил существование магнитных доменов в ферромагнетиках.^[2] Он предположил, что большое количество атомных магнитных моментов (обычно 10¹²-10¹⁸)^{[нужна цитата ]} были выровнены параллельно. Направление выравнивания изменяется от домена к домену более или менее случайным образом, хотя определенная кристаллографическая ось может быть предпочтительной из-за магнитных моментов, называемых легкими осями. Вайс все еще должен был объяснить причину спонтанного выравнивания атомных моментов в пределах ферромагнитный материала, и он придумал так называемое среднее поле Вейса. Он предположил, что данный магнитный момент в материале испытывает очень сильное эффективное магнитное поле из-за намагниченности его соседей. В первоначальной теории Вейсса среднее поле было пропорционально объемной намагниченности. M, так что

${displaystyle H_{e}=alpha M}$

где ${displaystyle alpha }$ - постоянная среднего поля. Однако это не применимо к ферромагнетикам из-за изменения намагниченности от домена к домену. В этом случае поле взаимодействия равно

${displaystyle H_{e}=alpha M_{s}}$

Где ${displaystyle M_{s}}$ намагниченность насыщения при 0K.

Позже квантовая теория позволила понять микроскопическое происхождение поля Вейсса. В обменное взаимодействие между локализованными спинами благоприятствовал параллельному (в ферромагнетиках) или антипараллельному (в антиферромагнетиках) состоянии соседних магнитных моментов

Структура домена

Как разделение ферромагнитного материала на магнитные домены снижает магнитостатическую энергию

Почему формируются домены

Причина, по которой кусок магнитного материала, такой как железо, самопроизвольно делится на отдельные домены, а не существует в состоянии с намагниченностью в одном направлении по всему материалу, заключается в минимизации его внутренней энергии.^[3] Большая область ферромагнитного материала с постоянной намагниченностью повсюду создаст большой магнитное поле распространяясь в пространство вне себя (диаграмма а, справа). Это требует много магнитостатическая энергия хранится в поле. Чтобы уменьшить эту энергию, образец можно разделить на два домена с намагниченностью в противоположных направлениях в каждом домене. (диаграмма б справа). Силовые линии магнитного поля проходят петлями в противоположных направлениях через каждый домен, уменьшая поле вне материала. Для дальнейшего уменьшения энергии поля каждый из этих доменов может также расщепляться, что приводит к меньшим параллельным доменам с намагниченностью в чередующихся направлениях, с меньшими величинами поля вне материала.

Доменная структура реальных магнитных материалов обычно не формируется в процессе разделения больших доменов на более мелкие, как описано здесь. Когда образец охлаждается ниже температуры Кюри, например, просто возникает конфигурация равновесной области. Но домены могут разделяться, и описание разделения доменов часто используется для выявления энергетических компромиссов при формировании доменов.

Размер доменов

Как объяснялось выше, слишком большой домен нестабилен и будет делиться на более мелкие домены. Но достаточно маленький домен будет стабильным и не будет разделен, и это определяет размер доменов, созданных в материале. Этот размер зависит от баланса нескольких энергий в материале.^[3] Каждый раз, когда область намагниченности разделяется на два домена, возникает доменная стена между доменами, где магнитные диполи (молекулы) с намагниченностью, направленной в разные стороны, соседствуют. В обменное взаимодействие которая создает намагниченность - это сила, которая стремится выровнять близлежащие диполи так, чтобы они указывали в одном направлении. Чтобы заставить соседние диполи указывать в разных направлениях, требуется энергия. Следовательно, доменная стенка требует дополнительной энергии, называемой энергия доменной стенки, который пропорционален площади стены.

Таким образом, чистое количество энергии, которое уменьшается при разделении домена, равно разнице между сохраненной энергией магнитного поля и дополнительной энергией, необходимой для создания доменной стенки. Энергия поля пропорциональна кубу размера домена, а энергия доменной стенки пропорциональна квадрату размера домена. Таким образом, по мере уменьшения размеров доменов чистая энергия, сэкономленная за счет разделения, уменьшается. Домены продолжают делиться на более мелкие домены, пока затраты энергии на создание дополнительной доменной стенки не станут как раз равными сохраненной энергии поля. Тогда домены такого размера стабильны. В большинстве материалов домены имеют микроскопические размеры, около 10⁻⁴ - 10⁻⁶ м.^[4][5][6]

Магнитная анизотропия

Микрофотография поверхности ферромагнитного материала, показывающая кристаллические зерна, каждое из которых разделено на несколько доменов, параллельных его "легкой" оси намагничивания, с намагничиванием в чередующихся направлениях. (красная и зеленая зоны).

Анимация, показывающая, как работает магнитострикция. Изменяющееся внешнее магнитное поле заставляет магнитные диполи вращаться, изменяя размеры кристаллической решетки.

Дополнительным способом уменьшения магнитостатической энергии материала является формирование доменов с намагниченностью под прямым углом к ​​другим доменам. (диаграмма c, справа), а не просто в противоположных параллельных направлениях.^[3] Эти домены, называемые домены замыкания потока, позволяют силовым линиям поворачиваться на 180 ° внутри материала, образуя замкнутые контуры полностью внутри материала, уменьшая магнитостатическую энергию до нуля. Однако формирование этих доменов связано с двумя дополнительными затратами энергии. Во-первых, кристаллическая решетка большинства магнитных материалов магнитная анизотропия, что означает, что он имеет «легкое» направление намагничивания, параллельное одной из осей кристалла. Изменение намагниченности материала в любом другом направлении требует дополнительной энергии, называемой "энергия магнитокристаллической анизотропии ".

Магнитострикция

Другие затраты энергии на создание доменов с намагниченностью под углом к ​​«легкому» направлению вызваны явлением, называемым магнитострикция.^[3] Когда намагничивание куска магнитного материала изменяется в другом направлении, это вызывает небольшое изменение его формы. Изменение магнитного поля заставляет молекулы магнитного диполя слегка изменять форму, делая кристаллическую решетку длиннее в одном измерении и короче в других измерениях. Однако, поскольку магнитный домен «сплющен», а его границы жестко удерживаются окружающим материалом, он не может фактически изменить форму. Таким образом, вместо этого изменение направления намагничивания вызывает крошечные механические подчеркивает в материале, требуя больше энергии для создания домена. Это называется "магнитоупругий энергия анизотропии".

Чтобы сформировать эти замыкающие домены с "боковой" намагниченностью, требуется дополнительная энергия из-за вышеупомянутых двух факторов. Таким образом, домены, замыкающие поток, будут формироваться только там, где сохраненная магнитостатическая энергия больше, чем сумма «обменной энергии», необходимой для создания доменной стенки, энергии магнитокристаллической анизотропии и энергии магнитоупругой анизотропии. Следовательно, большая часть объема материала занята доменами с намагниченностью «вверх» или «вниз» вдоль «легкого» направления, и домены, замыкающие поток, образуются только на небольших участках на краях других доменов, где они необходимо обеспечить путь для линий магнитного поля, чтобы изменить направление (диаграмма c, выше).

Структура зерна

Вышеупомянутое описывает структуру магнитных доменов в идеальной кристаллической решетке, например, в монокристалле железа. Однако большинство магнитных материалов поликристаллический, состоящий из микроскопических кристаллических зерен. Эти зерна нет так же, как домены. Каждое зерно представляет собой небольшой кристалл, с кристаллическими решетками отдельных зерен, ориентированными в случайных направлениях. В большинстве материалов каждое зерно достаточно велико, чтобы содержать несколько доменов. Каждый кристалл имеет «легкую» ось намагничивания и разделен на домены с осью намагничивания, параллельной этой оси, в чередующихся направлениях.

«Намагниченные» состояния

Можно видеть, что, хотя в микроскопическом масштабе почти все магнитные диполи в куске ферромагнитного материала выстроены параллельно своим соседям в доменах, создавая сильные местный магнитных полей, минимизация энергии приводит к доменной структуре, которая минимизирует крупномасштабный магнитное поле. В самом низком энергетическом состоянии намагниченность соседних доменов указывает в разных направлениях, ограничивая силовые линии микроскопическими петлями между соседними доменами в материале, поэтому комбинированные поля сокращаются на расстоянии. Следовательно, массивный кусок ферромагнитного материала в его состоянии с наименьшей энергией имеет небольшое внешнее магнитное поле или не имеет его. О материале говорят, что он не намагничен.

Однако домены могут существовать и в других конфигурациях, в которых их намагниченность в основном направлена ​​в одном направлении, создавая внешнее магнитное поле. Хотя это не конфигурации с минимальной энергией, из-за явления, когда доменные стенки «прикрепляются» к дефектам в кристаллической решетке, они могут быть местный минимумы энергии, и поэтому может быть очень стабильным. Приложение внешнего магнитного поля к материалу может заставить доменные стенки двигаться, в результате чего домены, выровненные по полю, растут, а противоположные домены сжимаются. Когда внешнее поле удаляется, доменные стенки остаются закрепленными в своей новой ориентации, а выровненные домены создают магнитное поле. Вот что происходит, когда кусок ферромагнитного материала «намагничивается» и становится постоянный магнит.

Нагрев магнита, подвергая его вибрации, ударяя по нему, или прикладывая быстро колеблющееся магнитное поле от катушка размагничивания, стремится вытащить доменные стенки из закрепленных состояний, и они вернутся к конфигурации с более низкой энергией и меньшим внешним магнитным полем, таким образом "размагничивание " материал.

Уравнение энергии Ландау-Лифшица

Электромагнитное динамическое магнитное движение доменов электротехнической кремнистой стали с ориентированной зеренной структурой

Подвижные доменные границы в зерне кремнистой стали, вызванные увеличением внешнего магнитного поля в «нисходящем» направлении, наблюдаются в микроскопе Керра. Белые области - это домены с направленной вверх намагниченностью, темные области - домены с направленной вниз.

Вклады различных факторов внутренней энергии, описанных выше, выражаются уравнением свободной энергии, предложенным следующим образом: Лев Ландау и Евгений Лифшиц в 1935 г.,^[7] что составляет основу современной теории магнитных доменов. Доменная структура материала сводит к минимуму Свободная энергия Гиббса материала. Для кристалла из магнитного материала это свободная энергия Ландау-Лифшица, E, который является суммой этих энергетических терминов:^[8]

${displaystyle E=E_{ex}+E_{D}+E_{lambda }+E_{k}+E_{H},}$    

где

• E_бывший является обменять энергию: Это энергия за счет обменное взаимодействие между магнитными дипольными молекулами в ферромагнитный, ферримагнитный и антиферромагнитный материалы. Он самый низкий, когда все диполи направлены в одном направлении, поэтому он отвечает за намагничивание магнитных материалов. Когда два домена с разными направлениями намагниченности находятся рядом друг с другом, на доменной границе между ними лежат направленные в разные стороны магнитные диполи, увеличивающие эту энергию. Эта дополнительная обменная энергия пропорциональна общей площади доменных стенок.
• E_D является магнитостатическая энергия: Это собственная энергия из-за взаимодействия магнитное поле создается за счет намагничивания одной части образца на других частях того же образца. Это зависит от объема, занимаемого магнитным полем, выходящим за пределы домена. Эта энергия уменьшается за счет минимизации длины петель силовых линий магнитного поля за пределами домена. Например, это способствует тому, чтобы намагниченность была параллельна поверхностям образца, поэтому силовые линии не выходили за пределы образца. Уменьшение этой энергии является основной причиной создания магнитных доменов.
• E_λ является энергия магнитоупругой анизотропии: Эта энергия возникает из-за действия магнитострикция, небольшое изменение размеров кристалла при намагничивании. Это вызывает упругие деформации в решетке, и предпочтение будет отдаваться направлению намагничивания, которое минимизирует эти энергии деформации. Эта энергия стремится к минимуму, когда оси намагничивания доменов в кристалле все параллельны.
• E_k является энергия магнитокристаллической анизотропии: Из-за своего магнитная анизотропия, кристаллическую решетку «легко» намагничить в одном направлении, и «трудно» - в других. Эта энергия сводится к минимуму, когда намагничивание направлено вдоль «легкой» оси кристалла, поэтому намагниченность большинства доменов в кристаллическом зерне имеет тенденцию быть в любом направлении вдоль «легкой» оси. Поскольку кристаллическая решетка в отдельных зернах материала обычно ориентирована в разных случайных направлениях, это приводит к тому, что доминирующая намагниченность доменов в разных зернах оказывается направленной в разные стороны.
• E_ЧАС является Zeeman Energy: Это энергия, которая добавляется или вычитается из магнитостатической энергии из-за взаимодействия между магнитным материалом и внешним магнитным полем. Он пропорционален отрицательному значению косинуса угла между векторами поля и намагниченности. Домены с их магнитным полем, ориентированным параллельно приложенному полю, уменьшают эту энергию, тогда как домены с их магнитным полем, ориентированным противоположно приложенному полю, увеличивают эту энергию. Таким образом, приложение магнитного поля к ферромагнитному материалу обычно вызывает перемещение доменных стенок так, чтобы увеличить размер доменов, лежащих в основном параллельно полю, за счет уменьшения размера доменов, противостоящих полю. Вот что происходит, когда ферромагнитные материалы «намагничиваются». При достаточно сильном внешнем поле домены, противостоящие полю, будут поглощены и исчезнут; это называется насыщение.

Некоторые источники определяют энергию стены E_W равной сумме обменной энергии и энергии магнитокристаллической анизотропии, которая заменяет E_бывший и E_k в приведенном выше уравнении.

Устойчивая доменная структура - это функция намагничивания M(Икс), рассматриваемый как непрерывный векторное поле, что минимизирует полную энергию E по всему материалу. Чтобы найти минимум a вариационный метод используется, в результате чего получается набор нелинейные дифференциальные уравнения, называется Уравнения Брауна после Уильяма Фуллера Брауна-младшего. Хотя в принципе эти уравнения могут быть решены для стабильных конфигураций доменов. M(Икс), на практике могут быть решены только самые простые примеры. Аналитических решений не существует, а численные решения, рассчитанные метод конечных элементов трудно поддаются вычислению из-за большой разницы в масштабе между размером домена и размером стенки. Следовательно, микромагнетизм разработал приближенные методы, которые предполагают, что намагниченность диполей в объеме домена, вдали от стенки, все направлена ​​в одном направлении, а численные решения используются только вблизи доменной стенки, где намагниченность быстро меняется.

Изменение ориентации и увеличение размеров магнитных доменов под действием внешнего поля.

Методы визуализации доменов

Существует ряд методов микроскопии, которые можно использовать для визуализации намагниченности на поверхности магнитного материала, выявляя магнитные домены. У каждого метода свое применение, потому что не все домены одинаковы. В магнитных материалах домены могут быть круглыми, квадратными, неправильными, удлиненными и полосатыми, причем все они имеют разные размеры и размеры.

Магнитооптический эффект Керра (MOKE)

Большие домены в диапазоне 25-100 микрометров можно легко увидеть Керровская микроскопия, который использует магнитооптический эффект Керра, который представляет собой вращение поляризация света, отраженного от намагниченной поверхности.

Лоренцевская микроскопия

Микроскопия Лоренца - это просвечивающая электронная микроскопия методика исследования магнитных доменных структур с очень высоким разрешением. Вне оси электронная голография это родственная технология, используемая для наблюдения магнитных структур путем обнаружения магнитных полей нанометрового масштаба.

Магнитно-силовая микроскопия (MFM)

Другой метод для просмотра субмикроскопических доменных структур в масштабе нескольких нанометров - это магнитно-силовая микроскопия. MFM - это форма атомно-силовая микроскопия который использует наконечник зонда с магнитным покрытием для сканирования поверхности образца.

Горький метод

Горькие узоры - это метод визуализации магнитных доменов, которые впервые были обнаружены Фрэнсис Биттер.^[9] Техника предполагает размещение небольшого количества феррожидкость на поверхности ферромагнитного материала. Феррожидкость располагается вдоль магнитной доменные стены, которые имеют более высокий магнитный поток, чем области материала, расположенные внутри доменов. Модифицированный метод Биттера был включен в широко используемое устройство, Средство просмотра доменов большой площади, которое особенно полезно при исследовании зернисто-ориентированных кремнистые стали.^[10]

Магнитооптические изображения различных доменных структур

Доменная структура сплав с памятью формы (записано с помощью CMOS-MagView)

Доменная структура примерного меандрового домена (записанного с помощью CMOS-MagView)

Доменная структура примерного домена магнитного пузыря (записанного с помощью CMOS-MagView)

Смотрите также

• Эффект Баркгаузена
• Стена Блоха
• Коэрцитивность
• Топологический дефект

Рекомендации

1. Вайс, П. (1906). «Изменение ферромагнетизма по температуре» [Изменение ферромагнетизма с температурой]. Comptes Rendus (На французском). 143: 1136–1149., цитируется в Каллити и Грэм 2008, п. 116
2. Cullity, B.D .; Грэм, К. Д. (2008). Введение в магнитные материалы (2-е изд.). Нью-Йорк: Wiley – IEEE. ISBN  978-0-471-47741-9..
3. Фейнман, Ричард П .; Роберт Б. Лейтон; Мэтью Сэндс (1963). Лекции Фейнмана по физике, Vol. II. США: California Inst. технологии. С. 37.5–37.6. ISBN  0-201-02117-X.
4. Данлоп, Дэвид Дж .; Оздемир, Озден (1997). Рок-магнетизм: основы и границы. Издательство Кембриджского университета. ISBN  9780511612794.
5. Данлоп, Дэвид Дж .; Оздемир, Озден (30 августа 2001 г.). Рок-магнетизм: основы и границы. Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-00098-7.
6. Альварес, Надя (2016). Dominios magnéticos y respuesta dinámica en aleaciones ferromagnéticas de FeP [Магнитные домены и динамический отклик в ферромагнитных сплавах FePt] (PhD) (на испанском языке). Национальный университет Куйо. Дело 564. Получено 13 мая 2020.
7. Дэн Вэй (28 апреля 2012 г.). Микромагнетизм и записывающие материалы. Springer Science & Business Media. ISBN  978-3-642-28577-6.
8. Кэри Р., Исаак Э. Д., Магнитные области и методы их наблюдения, The English University Press Ltd, Лондон, (1966).
9. Словарь по физике. Издательство Оксфордского университета, 2009.
10. Р. Дж. Тейлор, Программа просмотра домена большой площади, Proceedings of SMM9, 1989

• Джайлз, Дэвид (1998). Введение в магнетизм и магнитные материалы. Лондон: Чепмен и Холл. ISBN  0-412-79860-3.

внешняя ссылка

• Магнетизм и магнитооптик немецкий текст о магнетизме и магнитооптике