Что такое магнитный домен
Магнитный домен — это небольшая область внутри ферромагнитного или ферримагнитного материала, в которой магнитные моменты атомов ориентированы преимущественно в одном направлении. Каждый такой участок обладает собственной намагниченностью, однако в целом ненамагниченный кусок железа может состоять из множества доменов, направленных по-разному. Их магнитные поля частично или полностью компенсируют друг друга, поэтому снаружи материал не проявляет сильных магнитных свойств.
Понятие доменной структуры помогает объяснить, почему одни вещества легко притягиваются магнитом, как работает постоянный магнит и по какой причине намагниченность меняется под действием внешнего поля. Размеры доменов обычно очень малы: от долей микрометра до десятков и сотен микрометров, в зависимости от состава, формы и состояния материала.
Как устроен магнитный домен
В атомах многих веществ имеются электроны с собственным магнитным моментом. В ферромагнетиках взаимодействие между соседними атомами стремится выстроить эти моменты параллельно. В результате внутри отдельной области возникает упорядоченное состояние: магнитные моменты направлены почти одинаково, а сама область действует подобно очень маленькому магниту.
Полное выравнивание моментов во всём образце энергетически не всегда выгодно. Если материал был бы одним большим доменом, вокруг него возникло бы заметное внешнее магнитное поле, на создание которого требуется энергия. Поэтому вещество часто разделяется на участки с разной ориентацией намагниченности. Например, в соседних доменах направления могут быть противоположными. Суммарный магнитный момент образца при этом становится малым.
Границу между доменами называют доменной стенкой. Это не абсолютно резкий разрыв: в тонком переходном слое направление магнитных моментов постепенно поворачивается от ориентации одного домена к ориентации другого. Толщина стенки зависит от свойств кристаллической решётки и магнитного взаимодействия. Перемещение таких стенок играет важную роль при намагничивании.
Почему образуются домены и от чего зависит их форма
Доменная структура возникает как компромисс между несколькими видами энергии. Обменное взаимодействие выгодно при параллельной ориентации близких магнитных моментов. Магнитокристаллическая анизотропия задаёт предпочтительные направления намагниченности внутри кристалла. Одновременно магнитостатическая энергия уменьшается, когда образец разбивается на домены с разной ориентацией поля.
На число, размер и форму доменов влияют химический состав, температура, внутренние напряжения, наличие примесей, размеры детали и состояние её поверхности. В тонкой магнитной плёнке домены могут выглядеть как полосы, лабиринты или отдельные замкнутые области. В массивном кристалле структура обычно сложнее и определяется также направлением кристаллографических осей.
Дефекты решётки, границы зёрен и механические напряжения способны удерживать доменные стенки на определённых местах. Такое закрепление называют пиннингом. Чем труднее стенкам смещаться, тем большее внешнее поле требуется для изменения намагниченности материала. Именно поэтому различные сплавы могут заметно отличаться по магнитной жёсткости.
Что происходит при намагничивании и размагничивании
Когда к ферромагнитному телу прикладывают внешнее магнитное поле, домены, ориентированные вдоль поля, начинают увеличиваться. Доменным стенкам становится энергетически выгодно смещаться, захватывая соседние области. При более сильном воздействии магнитные моменты внутри доменов дополнительно поворачиваются в сторону поля. В итоге большая часть объёма приобретает одинаковое направление намагниченности.
После выключения поля материал ведёт себя по-разному. У магнитомягких материалов стенки сравнительно свободно возвращаются или перемещаются, поэтому остаточная намагниченность невелика. У магнитотвёрдых материалов доменные стенки сильно закреплены, а переориентация магнитных моментов затруднена. Они сохраняют значительную намагниченность и подходят для изготовления постоянных магнитов.
Зависимость магнитной индукции или намагниченности от напряжённости внешнего поля образует петлю гистерезиса. Её форма отражает особенности доменной структуры. Остаточная намагниченность показывает, что остаётся после снятия поля, а коэрцитивная сила характеризует поле, необходимое для размагничивания. Потери энергии при перемагничивании связаны в том числе с перемещением доменных стенок.
В каких материалах существуют магнитные домены
Наиболее известны домены в ферромагнетиках: железе, никеле, кобальте и многочисленных сплавах на их основе. В таких веществах соседние магнитные моменты стремятся ориентироваться параллельно, что создаёт сильную локальную намагниченность. Доменные области также характерны для ферримагнетиков, к которым относятся многие ферриты. В них магнитные моменты разных подрешёток могут быть направлены противоположно, но не компенсируются полностью.
В антиферромагнетиках тоже возможна доменная структура, хотя её природа и проявления отличаются. Внутри доменов магнитные моменты обычно упорядочены антипараллельно и в сумме почти равны нулю. Такие материалы не создают обычного сильного внешнего магнитного поля, но важны для современной спинтроники и магнитных многослойных систем.
При нагревании выше определённой температуры тепловое движение разрушает упорядочение. Для ферромагнетиков эта граница называется температурой Кюри. Выше неё материал становится парамагнитным, а привычная доменная структура исчезает. При охлаждении ниже температуры Кюри домены могут формироваться снова, но их конкретная конфигурация зависит от внешнего поля и истории образца.
Как наблюдают домены и где используют их свойства
Магнитные домены слишком малы, чтобы увидеть их невооружённым глазом. Для исследования используют магнитооптические методы, магнитно-силовую микроскопию, электронную микроскопию и специальные индикаторные плёнки. Один из классических способов основан на суспензии мелких магнитных частиц: они собираются преимущественно возле доменных стенок и делают рисунок структуры заметным.
Понимание поведения доменов необходимо при создании трансформаторных сталей, сердечников электродвигателей, датчиков, магнитных головок и постоянных магнитов. Для электротехнических сталей стремятся уменьшить потери при перемагничивании: подбирают состав, снижают дефекты и используют тонкие листы. Для постоянных магнитов, наоборот, важна высокая устойчивость доменной структуры к размагничивающему воздействию.
В устройствах хранения данных и спинтронике контролируемое изменение ориентации магнитных областей позволяет кодировать информацию. Современные технологии работают уже не только с крупными доменами, но и с нанометровыми магнитными структурами. Управление ими электрическим током, полем или напряжением открывает путь к более компактной и энергоэффективной электронике.