Магнитный домен - Magnetic domain

Микрокристаллические зерна в куске Nd 2 Fe 14 B (сплава, используемого в неодимовых магнитах ) с магнитными доменами, видимыми с помощью микроскопа Керра . Домены представляют собой светлые и темные полосы, видимые внутри каждого зерна. Выделенное зерно имеет магнитокристаллическую ось почти вертикально, поэтому домены видны с торцов.

Магнитный домен представляет собой область , в пределах магнитного материала , в котором намагниченность находится в одном направлении. Это означает, что отдельные магнитные моменты атомов выровнены друг с другом и указывают в одном направлении. При охлаждении ниже температуры, называемой температурой Кюри , намагниченность куска ферромагнитного материала спонтанно разделяется 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 ферромагнитных материалов, таких какжелезо , никель , кобальт и их сплавы , а также ферримагнетики, такие как феррит . Это включает образование постоянных магнитов и притяжение ферромагнитных материалов к магнитному полю. Области, разделяющие магнитные домены, называются доменными стенками , где намагниченность когерентно вращается от направления в одном домене к направлению в следующем домене. Изучение магнитных доменов называется микромагнетизмом .

Магнитные домены образуются в материалах с магнитным упорядочением ; то есть их диполи спонтанно выравниваются из-за обменного взаимодействия . Это ферромагнетики , ферримагнетики и антиферромагнетики . Парамагнитные и диамагнитные 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 Пьером-Эрнестом Вайсом, который в 1906 году предположил существование магнитных доменов в ферромагнетиках. Он предположил, что большое количество атомных магнитных моментов (обычно 10 12 -10 18 ) 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. Вейссу все же пришлось объяснить причину спонтанного выравнивания атомных моментов в ферромагнитном материале, и он придумал так называемое среднее поле Вейсса. Он предположил, что данный магнитный момент в материале испытывает очень высокое эффективное магнитное поле из-за намагниченности его соседей. В первоначальной теории Вейсса среднее поле было пропорционально объемной намагниченности M , так что

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

Где намагниченность насыщения при 0К.

Позже квантовая теория позволила понять микроскопическое происхождение поля Вейсса. Обменное взаимодействие между локализованными спинами выступает параллель (в ферромагнетиках) или анти-параллельно (анти-ферромагнетиков) состояние 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 находится в состоянии с намагниченностью в одном направлении по всему материалу, заключается в минимизации его внутренней энергии. Большая область ферромагнитного материала с постоянной намагниченностью повсюду создаст большое магнитное поле, распространяющееся во внешнее пространство (диаграмма а, справа) . Это требует большого количества магнитостатической энергии, хранящейся в поле. Чтобы уменьшить эту энергию, образец можно разделить на два домена с намагниченностью в противоположных направлениях в каждом домене (диаграмма b справа) . Силовые линии магнитного поля петлями проходят 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, конфигурация равновесной области просто возникает. Но домены могут расщепляться, и описание расщепления 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. Каждый раз, когда область намагниченности разделяется на два домена, она создает доменную стенку между доменами, где соседствуют магнитные диполи (молекулы) с намагниченностью, направленной в разные стороны. Обменное взаимодействие , которое создает намагниченность является силой , которая стремится выровнять соседние диполи , чтобы они указывают в одном направлении. Чтобы заставить соседние диполи указывать в разных направлениях, требуется энергия. Следовательно, доменная стенка требует дополнительной энергии, называемой энергией доменной стенки , которая пропорциональна площади стенки.

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 сравняются с сохраненной энергией поля. Тогда домены такого размера стабильны. В большинстве материалов домены микроскопические по размеру, примерно 10 -4 - 10 -6 м.

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

Дополнительный способ для материала дополнительно снизить свою магнитостатическую энергию - это формирование доменов с намагниченностью под прямым углом к ​​другим доменам (диаграмма c, справа) , а не только в противоположных параллельных направлениях. Эти домены, называемые доменами замыкания потока , позволяют силовым линиям поворачиваться на 180 ° внутри материала, образуя замкнутые контуры полностью внутри материала, снижая магнитостатическую энергию до нуля. Однако формирование этих доменов связано с двумя дополнительными затратами энергии. Во-первых, кристаллическая решетка большинства магнитных материалов имеет магнитную анизотропию , что означает, что она имеет «легкое» направление намагничивания, параллельное одной из осей кристалла. Изменение намагниченности материала в любом другом направлении требует дополнительной энергии, называемой « энергией магнитокристаллической анизотропии ».

Магнитострикция

Другие затраты энергии на создание доменов с намагниченностью под углом к ​​«легкому» направлению вызваны явлением, называемым магнитострикцией . 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 фактически не может изменить форму. Таким образом, вместо этого изменение направления намагничивания вызывает крошечные механические напряжения в материале, требующие больше энергии для создания домена. Это называется « энергией магнитоупругой анизотропии ».

Для образования этих замыкающих доменов 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» 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, а домены, замыкающие поток, образуются только на небольших участках на краях других доменов, где они находятся. 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 являются поликристаллическими , состоящими из микроскопических кристаллических зерен. Эти зерна не то же самое, что домены. Каждое зерно представляет собой маленький кристалл с кристаллической решеткой отдельных зерен, ориентированных 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 локальные магнитные поля, минимизация энергии приводит к доменной структуре, которая сводит к минимуму большие размеры. масштабное магнитное поле. В самом низком энергетическом состоянии намагниченность соседних доменов указывает в разных направлениях, ограничивая силовые линии микроскопическими петлями между соседними доменами внутри материала, поэтому комбинированные поля компенсируются на расстоянии. Следовательно, массивный кусок ферромагнитного материала в его низкоэнергетическом состоянии имеет слабое внешнее магнитное поле или не имеет его вообще. 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 локальными минимумами энергии и, следовательно, могут быть очень стабильными. 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 постоянным магнитом .

Нагревание магнита, подвергание его вибрации путем удара молотком или приложение быстро колеблющегося магнитного поля от размагничивающей катушки имеет тенденцию вытаскивать доменные стенки из их закрепленных состояний, и они возвращаются к конфигурации с более низкой энергией и меньшим внешним магнитным полем. , таким образом « размагничивая » материал.

Уравнение энергии Ландау-Лифшица

Электромагнитное динамическое магнитное движение доменов электротехнической кремнистой стали с ориентированными зернами
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.

Вклад различных факторов внутренней энергии, описанных выше, выражается уравнением свободной энергии, предложенным Львом Ландау и Евгением Лифшицем в 1935 году, которое составляет основу современной теории магнитных доменов. Доменная структура материала сводит к минимуму свободную энергию Гиббса материала. Для кристалла из магнитного материала это свободная энергия Ландау-Лифшица, E , которая является суммой этих энергетических членов:

    

куда

  • E ex - обменная энергия : это энергия, обусловленная обменным взаимодействием между магнитными дипольными молекулами в ферромагнетиках , ферримагнетиках и антиферромагнетиках . 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 - магнитостатическая энергия : это собственная энергия, возникающая из-за взаимодействия магнитного поля, создаваемого намагниченностью в какой-то части образца, с другими частями 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 вне домена. Например, это способствует тому, что намагниченность должна быть параллельна поверхностям образца, поэтому силовые линии не выходят за пределы образца. Уменьшение этой энергии - основная причина создания магнитных доменов.
  • E λ - энергия магнитоупругой анизотропии : эта энергия возникает из-за эффекта магнитострикции , небольшого изменения размеров кристалла при намагничивании. Это вызывает упругие деформации в решетке, и будет предпочтительным направление намагничивания, которое минимизирует эти энергии деформации. Эта энергия имеет тенденцию к минимизации, когда оси намагничивания доменов в кристалле все параллельны.
  • E k - энергия магнитокристаллической анизотропии : из-за своей магнитной анизотропии кристаллическую решетку «легко» намагнитить в одном направлении и «трудно» - в других. Эта энергия минимизируется, 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 H - энергия Зеемана : 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, в то время как домены с их магнитным полем, ориентированным противоположно приложенному полю, увеличивают эту энергию. Таким образом, приложение магнитного поля к ферромагнитному материалу обычно заставляет доменные стенки перемещаться 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 насыщением .

Некоторые источники определяют энергию E W стенки, равную сумме энергии обмена и энергии магнитокристаллической анизотропии, которая заменяет E ex и E k в приведенном выше уравнении.

Стабильная доменная структура - это функция намагничивания M ( x ), рассматриваемая как непрерывное векторное поле , которое минимизирует полную энергию E по всему материалу. Для нахождения минимумов используется вариационный метод , в результате чего получается набор нелинейных дифференциальных уравнений , названных уравнениями Брауна в честь Уильяма Фуллера Брауна-младшего. Хотя в принципе эти уравнения могут быть решены для стабильных конфигураций области M ( x ), на практике только На простейших примерах можно решить. Аналитических решений не существует, а численные решения, рассчитанные методом конечных элементов , трудно поддаются вычислению из-за большой разницы в масштабе между размером домена и размером стенки. Поэтому микромагнетизм разработал приближенные методы, которые предполагают, что намагниченность диполей в объеме домена, вдали от стенки, все направлена ​​в одном направлении, и численные решения используются только вблизи доменной стенки, где намагниченность быстро меняется. .

Диаграмма уравнения энергии Ландау-Лифшица.jpg
Изменение ориентации и увеличение размера 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 от 25 до 100 микрометров можно легко увидеть с помощью микроскопии Керра , в которой используется магнитооптический эффект Керра , который представляет собой вращение поляризации света, отраженного от намагниченной поверхности.

Лоренцевская микроскопия

Лоренцева микроскопия - это метод просвечивающей электронной микроскопии , используемый для изучения структур магнитных доменов с очень высоким разрешением. Внеосевая электронная голография - это родственный метод, используемый для наблюдения магнитных структур путем обнаружения наномасштабных магнитных полей.

Магнитно-силовая микроскопия (MFM)

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

Горький метод

Горькие узоры - это метод визуализации магнитных доменов, который впервые наблюдал Фрэнсис Биттер . Этот метод включает нанесение небольшого количества феррожидкости на поверхность ферромагнитного материала. Феррожидкость располагается вдоль стенок магнитных доменов , которые имеют более высокий магнитный поток, чем области материала, расположенные внутри доменов. Модифицированный метод Биттера был включен в широко используемое устройство, средство просмотра областей большой площади, которое особенно полезно при исследовании кремнистых сталей с ориентированной зеренной структурой .

Магнитооптические изображения различных доменных структур
Доменная структура сплава с памятью формы (записанная с помощью CMOS-MagView)
Доменная структура сплава с памятью формы (записанная с помощью CMOS-MagView)
Доменная структура примерного меандрового домена (записанного с помощью CMOS-MagView)
Доменная структура примерного меандрового домена (записанного с помощью CMOS-MagView)
Доменная структура примерного пузырькового домена (записанная с помощью CMOS-MagView)
Доменная структура примерного домена магнитного пузыря (записанного с помощью CMOS-MagView)

Смотрите также

использованная литература

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

внешние ссылки