Магнитные домены и магнитные доменные стенки
Магнитные домены и магнитные доменные стенки являются основными концепциями для понимания микроскопических механизмов магнитных материалов и для исследования новых магнитных явлений, которые являются темами данной статьи.
Определение магнитных доменов
Магнитный домен представляет собой «миниатюрный магнитный кластер» в магнитных материалах и играет центральную роль в понимании потерь на гистерезис.
Суть магнитных доменов
Каждый магнитный домен представляет собой крошечную область, в которой магнитные моменты всех атомов ориентированы в одном направлении, подобно компактным группам крошечных магнитов.
Ненамагниченный железный сердечник (например, в обесточенном электродвигателе) имеет бесчисленное множество магнитных доменов, ориентированных случайным образом, что приводит к отсутствию какого-либо внешнего магнитного эффекта.
Ключевые изменения в магнитных доменах
При подаче питания на электродвигатель создается переменное магнитное поле, которое заставляет эти неупорядоченные магнитные домены перестраиваться и равномерно выравниваться вдоль направления внешнего магнитного поля.
Однако направление переменного магнитного поля постоянно меняется, что требует от магнитных доменов многократного «поворота» и изменения их ориентации. В процессе этого «поворота» между магнитными доменами возникают трение и сопротивление, что и является источником потеря гистеризеса.
Определение магнитных доменных стенок
Магнитная доменная стенка — это «переходная граница» между соседними магнитными доменами с различной ориентацией внутри магнитного материала. Её движение и направление напрямую влияют на процесс намагничивания и величину потерь в материале, выступая в качестве «разделительной линии» между доменами.
Магнитные домены внутри материалов не упакованы хаотично; напротив, соседние домены имеют разные направления магнитного поля, что приводит к образованию очень тонкой переходной области, известной как доменная стенка.
Доменная стенка действует как переходная область, где атомные магнитные моменты постепенно меняют направление от одного домена к направлению соседнего домена. Этот переходный слой требует участия определённого количества атомных магнитных моментов, что приводит к образованию доменной стенки определённой толщины. Измеряемая толщина варьируется от 10^-6 до 10^-7 м. Толщина доменной стенки составляет приблизительно несколько сотен атомных слоёв, что обеспечивает плавный переход направления магнитного поля между соседними доменами и предотвращает энергетическую нестабильность, вызванную резкими изменениями.
Классификация магнитных доменных стенок
В зависимости от характера перехода атомного магнитного момента магнитные доменные стенки можно разделить на стенки Блоха и стенки Нееля.
Характерной особенностью стенок Блоха является то, что направление магнитного момента внутри доменной стенки остаётся параллельным плоскости стенки при её изменении. Стенки Блоха обычно существуют в более крупных магнитных материалах. Когда толщина ферромагнитного материала уменьшается до размеров, соответствующих двум измерениям, в частности, в тонких плёнках толщиной от 1 до 100 нм.
Вероятно образование стенок Нееля. Это тип доменных стенок, в которых магнитные полюса располагаются в плоскости стенки (например, когда магнитный момент перпендикулярен стенке). Стенки Нееля обычно образуются только в магнитных плёнках, толщина которых меньше определённого критического размера. В более толстых магнитных слоях энергетически выгоднее формировать стенки Блоха.
Основные функции магнитных доменных стенок
Ключ к процессу намагничивания: при намагничивании материалов намагничивание достигается не просто в одном домене, который выстраивается напрямую, а за счёт движения доменных стенок (расширение выровненных доменов и сужение антивыровненных). Чем плавнее движение доменных стенок, тем легче намагничивание.
Прямая связь с потерями: при движении доменные стенки сталкиваются с сопротивлением со стороны примесей и дефектов в материале, что требует затрат энергии. Эти потери энергии вносят значительный вклад в потери на гистерезис.
Чем стабильнее и менее резистивно движение доменных стенок, тем ниже гистерезисные потери материала, что приводит к более высокой магнитной проницаемости, в конечном итоге влияя на эффективность намагничивания и потери.
Влияние различных веществ на магнитные домены и доменные стенки
Поликристаллические материалы состоят из множества мелких монокристаллических частиц, что приводит к образованию гораздо более сложной структуры магнитных доменов, чем у монокристаллов. Распределение различных магнитных доменов неоднородно и в целом практически лишено определённой регулярности. Однако внутри каждого зерна атомные магнитные моменты по-прежнему ориентированы в определённом направлении, а внутри доменных стенок располагаются небольшие полости, образованные примесями, порами или другими физическими дефектами.
Формы, ориентация и количество магнитных доменов и стенок в поликристаллах могут существенно различаться в зависимости от неоднородности роста зерен и неправильной формы границ зерен.
