Доменная структура магнитных материалов

Магнитный момент ферромагнитного образца в отсутствие внешнего магнитного поля, как правило, либо равен нулю, либо очень мал, что можно объяснить только тем, что намагни­ченность в материале распределена не однородно, а в основном замыкается внутри образца, чтобы не создавалось поле рас­сеяния. Это предположение, впервые введено Вейссом. Он предположил, что образцы магнитных материалов со­стоят из ряда маленьких областей, внутри каждой из которых намаг­ниченность равна намагниченности насыщения; однако направление намагниченности в различных областях не должно быть обязательно параллельным друг другу. Возможное схематическое распределение ферромагнитных областей с нулевым результирующим магнитным мо­ментом показано на рис. 1 (справа) для монокристалла. Еще раньше пред­полагалось, что в поликристаллических образцах каждый кристаллит может содержать одну область и что результирующий магнитный момент может быть равен нулю благодаря хаотическому распре­делению осей зерен, как пока­зано на рис. 1 (слева).

Рис. 1 Схематическое распределение ферромагнитных областей с нулевым результирующим магнитным моментом.

Увеличение результирую­щего магнитного момента об­разца под действием внешнего магнитного поля можно пред­ставить себе осуществляющим­ся по теории ферромагнитных областей с помощью двух не­зависимых процессов:

1) увели­чения объема областей, намаг­ниченность которых направлена относительно поля, за счет областей с противоположно ориентированной на­магниченностью (рис. 2, б);

2) вращения вектора намагниченности в направлении поля (рис. 2, а).

Рис.2 Увеличение результирующего момента путем: (а) – вращения вектора намагниченности, (б) – увеличения объема областей, намагниченность которых направлена относительно Н.

При более детальном изучении оказалось, что в слабых полях изменение намагниченности обычно происходит в основном за счет смещения границ областей, так что области изменяются по своим размерам. В сильных полях намагниченность обычно изменяется за счет вращения результирующего магнитного момента.

1.1 Образование доменной структуры

Для более детального рассмотрения причин образования доменной структуры магнитных материалов, рассмотрим ферромагнитный монокристалл, имеющий форму бесконечно длинного стержня, с осью которого совпадает направление лёгкого намагничивания (рис. 3, а). Он должен представлять собой один сплошной домен, т. е. все векторы спонтанного намагничивания в нём должны быть расположены параллельно друг другу и оси стержня. Реаль­но подобный случай может быть осуществлён в очень тонкой ферромагнитной плёнке (толщиной по­рядка 10^-5-10^-6 см).

У обычных кристаллов конеч­ных размеров однодоменная магнитная структура является энер­гетически невыгодной. Благодаря су­ществованию размагничивающего по­ля Н = NI они обладают магнитной энергией W_M = N /2. Энергетически выгодно разделение подобного кристалла на несколько доменов таким образом, чтобы соседние домены были намагничены антипараллель­но, поскольку при этом уменьшается размагничивающий фактор N (рис. 3, б, в). Чем на большее количество антипараллельных доме­нов разобьётся кристалл, тем меньше будет его магнитная энергия. Магнитная энергия ещё больше снижается, если антипараллельно намагниченные домены перпендикулярно замыкаются намагниченным доменом (рис. 3, г, д). Деление на домены обычно энергетически выгодно в тех случаях, когда ферромагнетики имеют не очень малые размеры (больше чем 10^-4-10^-5 см).

Рис. 3. Простые доменные структуры.