Ферромагнетики и доменная структура — справочник студента

2.8. Доменная структура ферромагнетиков.

Классическая теория ферромагнетизма была развита французским физиком П.Вейсом (1907 г.). Согласно этой теории, весь объем ферромагнитного образца, находящегося при температуре ниже точки Кюри, разбит на небольшие области – домены,– которые самопроизвольно намагничены до насыщения.

Название происходит от франц. domaine – владение, область. Линейные размеры доменов  порядка 10-3-10-2см. В каждом домене атомные магнитные моменты спонтанно ориентированы в одном направлении. Это обусловлено параллельным выстраиванием спинов определенных электронов в каждом атоме ферромагнетика.

В пределах достаточно большого объема, т.е. домена, который содержит миллионы атомов, спины и магнитные моменты всех атомов направлены одинаково. Если бы можно было заглянуть внутрь кристалла и увидеть векторы магнитных моментов атомов, то картина была бы подобна картине, изображенной на рис.2.

12.

В размагниченном образце в отсутствие внешнего магнитного поля каждый домен имеет свою ориентацию, отличную от «соседей». Поскольку в образце в среднем одинаково представлены все направления, результирующая намагниченность образца равна нулю (рис.2.13 а).

Домены можно увидеть в микроскоп. Для этого достаточно покрыть поверхность ферромагнетика слоем суспензии, содержащей ферромагнитный порошок, например, тончайшую железную пыль.

Из-за неоднородности магнитного поля частицы порошка осядут на границах доменов и обрисуют их контуры (рис.2.13 б).

Доменная структура позволяет объяснить наличие у ферромагнетиков явления гистерезиса. Если на размагниченный образец подействовать внешним магнитным полем, то домены, ориентированные по полю, будут находиться в наиболее выгодном положении.

Некоторые домены, которые обладают “благоприятно” ориентированной намагниченностью, т.е. близкой по направлению к напряженности поля , в первую очередь будут стремиться принять направление поля и увеличиться за счет невыгодно ориентированных соседних доменов.

Таким образом, увеличение  вызывает медленное возрастание , Это объясняет ход нижней части кривой 0-1, на рис.5.10. Средняя часть кривой соответствует наиболее крутой зависимости  от . Здесь наблюдается эффект Баркгаузена, который состоит в скачкообразном изменении намагниченности при монотонном изменении .

сильным внешним магнитным полем в направлении, параллельном полю. При уменьшении  зависимость не идет обратно по тому же пути, потому что движение границ доменов частично необратимо, и мы наблюдаем гистерезис.

Доменная структура хорошо объясняет также наличие точки Кюри у ферромагнетиков. Неудивительно, что практически совершенный порядок в расположении магнитных моментов атомов при увеличении температуры должен нарушаться. Возрастающее тепловое движение атомов стремится разбросать магнитные моменты, что и происходит при температуре Кюри.

Итак, что же заставляет спины электронов ориентироваться в пределах домена в одном направлении и какая сила удерживает их в этом состоянии?

Для объяснения самопроизвольной намагниченности ферромагнетиков необходимо предположить, что в них между носителями магнетизма – спинами электронов – существует взаимодействие, способное при температурах более низких, чем точка Кюри, обеспечить спонтанную намагниченность доменов.

Естественно предположить, что между спиновыми и магнитными моментами электронов существует магнитное взаимодействие, подобное взаимодействию двух проводников с током. Однако расчеты показывают, что энергия такого взаимодействия оказывается весьма малой величиной, порядка 10-23 Дж.

Поэтому за счет магнитного взаимодействия невозможно образование самопроизвольной намагниченности. Я.Френкель и В.Гейзенберг (1928 г.) показали, что данное явление может быть следствием электрического взаимодействия электронов.

Однако объяснение такого взаимодействия остается за пределами классической физики, поскольку само существование спина является «неклассическим» явлением. Электрическое взаимодействие электронов, приводящее к состоянию самопроизвольной намагниченности ферромагнетиков, имеет квантовую природу и называется обменным взаимодействием.

Ферромагнетики широко применяются в различных областях науки, в промышленности, медицине.

К примеру, на свойствах ферромагнетиков основано действие семеочистительной машины, служащей для очистки семян с гладкой поверхностью (клевера, льна, люцерны и др.) от семян сорняков с шероховатой поверхностью.

Исходный материал смешивают с ферромагнитным порошком, обволакивающим шероховатые семена сорняков, которые благодаря этому притягиваются к электромагнитному барабану машины и затем удаляются.

Источник: https://studizba.com/lectures/73-fizika/1059-magnetizm/19303-28-domennaya-struktura-ferromagnetikov.html

1.4. Доменная структура и магнитная анизотропия ферромагнетиков

Все ферромагнетики и ферримагнетики вещества кристаллические. Структура их обычно представляет собой совокупность зерен кристаллов неправильной формы, называемых кристаллитами. Ферромагнетики в основном имеют три типа кристаллических решеток.

У железа решетка кубическая объемоцентрированная (рис. 1.2, а), у никеля – кубическая гранецентрированная (рис. 1.2, б), у кобальта – гексогональная (рис. 1.2, в), у ферритов – также кубическая или гексагональная, но более сложной формы (рис. 1.

2, г).

Рис.1.2. Кристаллические решетки ферромагнетиков

При температуре ниже точки Кюри ферромагнетики даже в  отсутствие  внешнего поля имеют спонтанную намагниченность .

В то же время даже монокристаллы ферромагнетиков могут быть полностью размагничены или намагничены в различной степени. Объясняется это доменной теорией

ферромагнетиков, согласно которой каждое зерно кристаллита делится на области, называемые доменами, с величиной спонтанной намагниченности , но направление векторов намагниченности соседних домёнов различно.

Они взаимно компенсируются, и общая намагниченность в полностью размагниченном материале отсутствует.

Такому состоянию соответствует деление монокристалла на домены, при котором магнитные потоки замыкаются внутри кристалла и энергия системы доменов минимальна.

При наличии внешнего магнитного поля происходит увеличение объема доменов, векторы спонтанной намагниченности которых наиболее близки к направлению вектора напряженности  внешнего поля, за счет сокращения объема других доменов.

При некоторой напряженности векторы намагниченности всех доменов ориентируются в направлении вектора намагниченности внешнего поля , и намагниченность всего кристалла станет равной спонтанной намагниченности .

При этом направление вектора спонтанной намагниченности всегда совпадает с направлением кристаллографических осей, как показано на рис. 1.2 стрелками.

Экспериментально установлено, что энергия намагничивания вдоль различных кристаллографических осей различна. Если энергию намагничивания вдоль ребра куба (см. рис. 1.

2, а) условно принять за 100, то по двум другим  осям возможного спонтанного намагничивания она составит 110 и 111. Поэтому направление вдоль ребра куба, а таких направлений у кристалла железа шесть, называют направлением легкого намагничивания.

Следовательно, у ферромагнитных материалов имеет место магнитная анизотропия, т.е. неодинаковость магнитных свойств в разных направлениях.

Для уменьшения потерь на перемагничивание некоторые материалы подвергают специальной обработке, чтобы одноименные кристаллографические оси отдельных зерен располагались параллельно. Такие материалы называют текстурованными.

При другом способе нагретый выше точки Кюри материал охлаждают в постоянном магнитном поле.

В целом, нетекстурованный материал магнитоизотропен. Отметим некоторые другие свойства магнитных элементов.

Магнитострикция – относительное изменение размеров и формы тела под действием внешнего магнитного поля. Так, Fe удлиняется под влиянием внешнего поля вдоль оси легкого намагничивания и укорачивается при воздействии вдоль оси тяжелого намагничивания.

Магнитоупругий эффект – изменение магнитных свойств тела под воздействием механической деформации: магнитная проницаемость, петля гистерезиса, иногда даже под воздействием намотанных витков провода.

Источник: http://libraryno.ru/1-4-domennaya-struktura-i-magnitnaya-anizotropiya-ferromagnetikov-magnelem/

ПОИСК

Рис. 10.21. Доменная структура ферромагнетика

Характерная особенность керамических магнитных материалов — их самопроизвольная (спонтанная) намагниченность без приложения внешнего магнитного поля. Области, в которых магнитные моменты (спины) ориентируются в одном направлении, называют магнитными доменами. Под влиянием внешнего магнитного поля первоначально ориентированные в различных направлениях домены могут постоянно ориентироваться в направлении воздействующего на них магнитного поля. Наличие доменной структуры ферромагнетиков доказано экспериментально. Возможны три случая ориентации магнитных доменов  [c.211]

Датчик, основанный на методе эффекта магнитных шумов- зависимости доменной структуры ферромагнетиков от степени намагниченности и уровня действующих механических напряжений, имеет две катушки возбуждающую и приемную. Расшифровка зависимостей, характеризующих магнитные шумы в материале от уровня напряжений, позволяет определить их величину в поверхностном слое. Поскольку датчики можно изготовить сравнительно небольшими, напряжение определяется на участках с базой порядка 1 мм. Последние исследования показали, что с помощью таких датчиков можно одновременно при одном измерении фиксировать не только уровень напряжений, но и значения главных напряжений и их ориентацию. Для этого исследуются многие гармоники колебательных процессов, каждая из которых по-своему зависит от главных напряжений.
 [c.267]

Эффект магнитострикции состоит в том, что под действием магнитного поля ферромагнитные материалы деформируются по направлению силовых линий этого поля. Физически это объясняется перестройкой доменной структуры ферромагнетика под действием внешнего магнитного поля.

Домены — микроскопические частицы поликристаллической структуры материала — представляют собой группы атомов с отличным от нуля общим для группы магнитным полем. Благодаря обменным силам магнитные поля групп выравниваются и внешнее поле у образца из такого материала отсутствует.

Домены достаточно малы (линейный размер доменов 1 -Ь3 10 зсм) и расположены беспорядочно.
 [c.68]

Доменная структура ферромагнетиков 3-5-1. ПРИРОДА ВОЗНИКНОВЕНИЯ ДОМЕНОВ
 [c.187]

Доменная структура ферромагнетиков
 [c.103]

Изменение доменной структуры ферромагнетика нри его намагничивании
 [c.105]

Доменная структура ферромагнетиков чрезвычайно чувствительна к любым нарушениям правильности кристаллического строения.

Точечные, линейные и поверхностные дефекты решетки, области неоднородности напряженного состояния, микроструктурные элементы — границы зерен, включения различных фаз, неметаллические включения и поры, трещины -все это влияет на доменную структуру.

Из предыдущего раздела следует, что высокая структурная чувствительность доменного строения ферромагнетика предопределяет и высокую структурную чувствительность магнитных характеристик, а также необратимость процессов намагничивания.
 [c.106]

Б. э.— одно из непосредств. доказательств доменной структуры ферромагнетиков, он позволяет определить объём отд. домена. Для большинства ферромагнетиков этот объём равен 10 —10 см . Изучение Б. э. позволило лучше понять динамику доменной структуры и установить связь между числом скачков и осн. хар-ками петли гистерезиса коэрцитивной силой и др.).
 [c.48]

Вейсс предположил, что макроскопический образец ферромагнетика разбивается на множество доменов, каждый из которых намагничен до насыщения, но намагниченности отдельных доменов ориентированы различным образом.

343]

Минимуму полной энергии ферромагнетика (10.52) соответствует не насыщенная конфигурация, а некоторая доменная структура.
 [c.348]

Частным случаем Н. с. является решётка вихрей в сверхпроводнике второго рода. Пространственно неоднородные структуры, характер к-рых определяется граничными условиями (напр.

, доменная структура в пластине сегнетоэлектрика или ферромагнетика), обычно не относят к Н. с., подчеркивая тем самым, что период и др.

характеристики последних определяются параметрами вещества, а не его геометрией.
 [c.336]

Наноструктурное состояние влияет на свойства ферромагнетиков. Ферромагнитные материалы имеют доменную структуру, которая возникает в результате минимизации суммарной энергии ферромагнетика в магнитном поле.

Согласно [328], она включает энергию обменного взаимодействия, минимальную при параллельном расположении спинов электронов энергию кристаллографической магнитной анизотропии, обусловленную наличием в кристалле осей легкого и трудного намагничивания магнитострикционную, связанную с изменением равновесных расстояний между узлами решетки и длины доменов магнитостатическую, связанную с существованием магнитных полюсов как внутри кристалла, так и на его поверхности. Замыкание магнитных потоков доменов, расположенных вдоль осей легкого намагничивания, снижает магнитостатическую энергию, тогда как любые нарушения однородности ферромагнетика (границы раздела) увеличивают его внутреннюю энергию.
 [c.94]

Магнитооптич. К, э. широко применяется нри исследованиях электронной структуры ферромагн. металлов и сплавов, доменной структуры ферромагнетиков, а также при изучении структуры поверхностного слоя полированного металла. Зависимость величины К. э.

от онтич. характеристик прилегающей к поверхности магнетика среды позволяет во ин. случаях существенно повысить величину эффекта и контраст наблюдаемой картины нанесением на исследуемую поверхность тонкого слоя прозрачного диэлектрика.
 [c.

350]

МАГНЙТНОЕ СТАРЕНИЕ, изменение магн. св-в ферромагнетика со временем при комнатной (рабочей) темп-ре. М. с. может быть вызвано изменением доменной структуры ферромагнетика (о б р а т и м о е М. с.) или его кристаллич. структуры (необратимое М. с.). Обратимое М. с. обусловлено перестройкой доменной структуры (см. Домены) под влиянием внеш. воздей-
 [c.371]

Полная энергия Е ферромагнетика складывается из 1) обменной энергии Еовм, 2) энергии кристаллографической магнитной анизотропии Ек- 3) энергии магнитострик-ционной деформации Ех 4) магнитоупругой энергии Ес 5) магнитостатической энергии Ео] 6) магнитной энергии Таким образом,
 [c.346]

Дать удовлетворительное объяснение гистерезиспынс эффектам в антп-ферромагнетике очень трудно.

Поскольку остаточные моменты очень малы, вполне возможно, что они являются лишь вторичными эффектами, связанными, например, с загрязнениями, присутствующими в кристалле.

При доменной структуре гистерезис может быть также обусловлен необратимыми явлениями на границах доменов [128].
 [c.521]

Доменная структура ферромагнитных тел. Как уже указывалось, ферромагнетик в ненамагниченном состоянии самопроизвольно (спонтанно) разбивается на домены, намагниченные до насыщения вследствие параллельной ориентации в них спиновых магнитных моментов, происходящей под действием обменных сил. Выясним причину деления ферромагнетика на домены.
 [c.295]

БЛОХА СТЁПКА (блоховская степка, блоховская доменная граница) в широком смысле — область (сло11) внутри магнитоупорядоченного вещества (ферромагнетика, ферримагнетика или слабого ферромагнетика), разделяющая смежные домены.. Внутри этой области происходит поворот вектора намагниченности М от его направления в одном домене к направлению в соседнем домене (см. Магнитная доменная структура).
 [c.214]

Схема нлоскопараллольных Д. реализуется в пластине в случае одноосных ферромагнетиков или сег-нетоулектрикоа, она также типична для упругих Д. Б общем случае доменная структура может включать в себя Д, мн, типов (см. Магнитная доменная структура).
 [c.13]

формы в области, где Х раш Хсмеш [1 ]. можно развить строгую количеств, теорию для образцов простой формы (напр., эллипсоидов), допускающей однородность намагниченности при их структурной и хим. однородности.

Теория кривых намагничивания и петель гистерезиса имеет важное значение для разработки новых и улучшения существующих магнитных материалов, играющих весьма важную и всё возрастающую роль в совр. технике (напр., в магн.

дефектоскопии и структурном анализе, а также при конструировании элементов памяти ЭВМ, ускорительных секций, накопительных колец и г. п.).
 [c.289]

В ферромагн. образцах с размерами больше критич. размера однодоменности (см.

Однодоменные частицы) при Я=0 и при темп-ре ниже Кюри точки Т, минимуму энергии кристалла обычно отвечает неоднородное магн, состояние в виде совокупности большого числа доменов с разными направлениями намагниченности М соседних областей. В монокристаллич.

образцах или в крупных кристаллитах поликристалла (с размерами г>г,) такая совокупность Ф. д. формируется в соответствии с имеющимися в ферромагнетике взаимодействиями и представляет собой магнитную доменную структуру (ДС). Общая причина её возникновения, впервые указанная Л. Д.

Ландау и Е. М. Лифшицем в 1938, связана с уменьшение.м полной энергии образца благодаря уменьшению магнитостатической энергии за счёт дробления магн. полюсов (магн. зарядов ) на поверхностях образца.
 [c.302]

Внды доменных структур в ферромагнетиках. В общем случае форма Ф. д. и вид ДС в целом на поверхности и внутри кристалла отличаются друг от друга. В связи с этим различают поверхностную (часто замыкающую) и внутреннюю ДС.

В этом случае говорят о сквозной ДС.
 [c.302]

Рк. 6. Доменная структура и частбты ферромагнитного резонанса к малой сфере из кубического ферромагнетика при К, [c.309]

Можно ожидать, что именно благодаря этим своим особенностям аморфные ферромагнетики имеют чрезвычайно высокую магнитную проницаемость.

В так называемых нулевых ферромагнетиках, обладающих идеальной магнитной анизотропией, параллельность магнитных моментов поддерживается только за счет энергии обменного взаимодействия, а магнитный лоток замыкается внутри образца вследствие конкуренции с мат-нитостатичеокой энергией. Как видно из схемы, на рис. 5.

13, в этом случае направление вращения магнитного момента в некоторых частях образца одинаково, в результате чего может возникнуть так назькваемая круговая доменная структура.
 [c.133]

Для более полного понимания процесса намагничивания и причин появления гистерезиса в аморфных ферромагнетиках (рис. 5.15) необходимо рассмотреть их доменную структуру. На рис. 5.

16 показана структура аморфной ленты из сплава FesoPis . В работе [59] установили связь между такой доменной структурой и особенностями кривой намагничивания. Основные выводы, сделанные в [59], следуюш,ие.

 [c.136]

С другой стороны, структуру мартенситной фазы в сверхупругих материалах уподобляют структуре ферромагнетика [399].

Пользуясь уже описанным ранее классическим приближением (см. раздел 1.1) при записи условия ферромагнитного резонанса (шрез = = уНо), следует иметь в виду большую (порядка 0,1 Т в ферромагнетиках) [29] спонтанную намагниченность, которая приводит к большому резонансному поглощению (в 10 больше, чем в парамагнетиках).

Кроме того, магнитные взаимодействия между электронами, участвующими в спонтанном моменте, создают сильные внутренние поля магнитной анизотропии.

Это означает, что эффективное поле, а следовательно, и частота резонанса будут зависеть от симметрии кристалла, формы образца, характера расположения во внешнем поле Но кристаллографических осей кристалла.

Существование отдельных областей (доменов) с различными направлениями самопроизвольной намагниченности в объеме образца заставляет работать в условиях резонансного насыщения, когда внешнее поле разрушает доменную структуру и в первом приближении можно весь образец представить как однодоменную структуру с однородной намагниченностью.

Строго говоря, только поверхности второго порядка (сфера, эллипсоид, бесконечный круговой цилиндр и т. п.) не вносят неоднородности в общую намагниченность образца. Внутреннее магнитное поле в ферромагнетике (кроме указанной кристаллографической магнитной анизотропии) зависит как от величины, так и от ориентации внешних и внутренних упругих напряжений. Пере-
 [c.182]

Определение размера однодоменных частиц дисперсной ферромагнитной фракции [34]. У.меньшение размера ферромагнетика до размера, когда образование доменной структуры энергетически невыгодно, приводит к тому, что частица в любом поле остается многодоменной и перемагничивание осуществляется вращением ее вектора намагниченности полем. При дальнейшем у.

меньшении размера частиц энергия анизотропии уже не удерживает вектор намагниченности в направлении легкого на.магничивания. Энергия анизотропии такой частицы КУ (V — объем частицы К — константа анизотропии) приближается к кТ.

Начиная с этого момента, вектор намагниченности частиц начинает флуктуировать и температурная зависимость намагниченности подчиняется закону Ланжевена для парамагнетиков. Поскольку магнитный момент ферромагнитной частицы велик по сравнению с атомным моментом парамагнетика, описанное явление названо суперпарамагнетизмом .

Вероятность самопроизвольного перемагничивания очень быстро увеличивается с уменьшением размера частиц для сферической частицы Ре
 [c.319]

Ferroele tri effe t — Сегнетоэлектрический эффект.

Сегнетоэлектри-ческие кристаллы часто показывают особую точку Кюри, доменную структуру и гистерезис более чем ферромагнитные кристаллы.
 [c.956]

Источник: https://mash-xxl.info/info/661536/

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

• Cтраница 1
• Реальные доменные структуры ферромагнетиков обычно бывают довольно сложными, так как зависят РѕС‚ РјРЅРѕРіРёС… причин, РІ числе которых основными являются: 1) кристаллическая решетка ферромагнетика; 2) наличие примесей; 3) термическая обработка образца; 4) механическая обработка материала.  [1]
• Рассмотрим доменную структуру ферромагнетика для случая, РєРѕРіРґР° напряженность внешнего магнитного поля равна нулю.  [2]
• Р’РѕРїСЂРѕСЃ Рѕ доменной структуре ферромагнетиков, высказанный РІ начале XX РІ.  [3]

Покажем, что доменная структура ферромагнетика РІ отсутствие внешнего магнитного поля обладает меньшей энергией, чем состояние СЃ однородным намагничением. Связано это СЃ уменьшением магнитной энергии образца РІ случае, если РѕРЅ имеет доменную структуру. РќР° СЂРёСЃ. 13.12, Р°, соответствующему однодоменцому образцу, изображены магнитные силовые линии РІРЅРµ кристалла, которые можно считать создаваемыми магнитными зарядами РЅР° верхней Рё нижней поверхностях кристалла.  [4]

РџРѕРґ действием внешнего магнитного поля доменная структура ферромагнетика перестраивается, Рё суммарная намагниченность его РІ направлении напряженности Рќ изменяется. Понятно, что РїСЂРё Рќ Рќ Рє, РєРѕРіРґР° почти РІСЃРµ домены сориентированы РїРѕ полю РЇ, дальнейший СЂРѕСЃС‚ магнитной индукции РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ весьма медленно.  [6]

Р’РёРґ этой РєСЂРёРІРѕР№ соответствует теории доменной структуры ферромагнетиков.  [8]

Как РІРёРґРЅРѕ, используя представления Рѕ доменной структуре ферромагнетиков, можно объяснить РІСЃРµ особенности процесса РёС… намагничивания. Точка РљСЋСЂРё оказывается той температурой, выше которой РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ разрушение доменной структуры.  [9]

Среди задач дифракционной электронной РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїРёРё следует выделить анализ доменной структуры ферромагнетиков Рё сегнетоэлектриков.  [11]

Для перемагничения образца необходима энергия, которая затрачивается РЅР° переориентировку доменной структуры ферромагнетика.  [12]

Датчик, основанный РЅР° методе эффекта магнитных шумов — зависимости доменной структуры ферромагнетиков РѕС‚ степени намагниченности Рё СѓСЂРѕРІРЅСЏ действующих механических напряжений, имеет РґРІРµ катушки: возбуждающую Рё приемную. Расшифровка зависимостей, характеризующих магнитные шумы РІ материале РѕС‚ СѓСЂРѕРІРЅСЏ напряжений, позволяет определить РёС… величину РІ поверхностном слое. Поскольку датчики можно изготовить сравнительно небольшими, напряжение определяется РЅР° участках СЃ базой РїРѕСЂСЏРґРєР° 1 РјРј. Последние исследования показали, что СЃ помощью таких датчиков можно одновременно РїСЂРё РѕРґРЅРѕРј измерении фиксировать РЅРµ только уровень напряжений, РЅРѕ Рё значения главных напряжений Рё РёС… ориентацию. Для этого исследуются РјРЅРѕРіРёРµ гармоники колебательных процессов, каждая РёР· которых РїРѕ-своему зависит РѕС‚ главных напряжений.  [13]

1. Р�зложите РѕСЃРЅРѕРІС‹ классической теории ферромагнетизма Рё приведите опыты, подтверждающие доменную структуру ферромагнетиков.  [14]
2. Необходимо отметить также Рё то, что Ландау принадлежит первая математическая теория доменной структуры ферромагнетиков.  [15]
3. Страницы:      1    2

Источник: https://www.ngpedia.ru/id490308p1.html

Доменная структура ферромагнетиков — Химия

Рис. 47. Разбиение кристалла на домены.

Магнитные моменты соседних атомов ферромагнетиков ориентированны параллельно, однако в кристалле достаточно большой величины все магнитные моменты не могут быть ориентированны параллельно. В противном случае вокруг кристалла появится магнитное поле и энергия системы возрастет. Для снижения энергии системы кристалл разбивается на домены — области спонтанной намагниченности, причем разбиение производится таким образом, чтобы внешнее магнитное поле отсутствовало (рис. 47).

Таким образом, на границе доменов происходит постепенный поворот магнитных моментов атомов из одного положения в другое. Тем не менее, энергия атомов на границах доменов оказывается повышенной.

Как отмечалось выше, обменное взаимодействие соседних атомов ферромагнитных материалов приводит к снижению энергии системы на величину: Uобм = -А (s1s2), где А — обменный интеграл зависящий от отношения а/r.

Такие направления принято называть направлениями легкого намагничивания. На границах доменов магнитные моменты ориентированы в менее выгодных магнитотвердых направлениях.

25.В то же время, росту доменов препятствует магнитострикция- деформация кристаллической решетки под воздействием магнитного поля. Обменное взаимодействие между атомами приводит к появлению дополнительных сил взаимодействия и кристаллическая решетка деформируется.

Рост домена ведет к увеличению напряженности локального поля внутри домена и возрастанию деформации решетки. При этом энергия системы увеличивается.

Таким образом, противоборство магнитной анизотропии и магнитострикции приводит к установлению оптимального размера магнитных доменов.

Кривая намагничивания

Рис. 48. Кривая намагничивания ферромагнетиков.

При помещении ферромагнетика во внешнее магнитное поле векторы намагниченности каких-либо доменов окажутся совпавшими или близкими к совпадению с вектором напряжённости внешнего магнитного поля.

Энергия таких доменов будет минимальной, тогда как энергия всех остальных доменов повысится. Для того чтобы понизить энергию системы благоприятно ориентированные домены растут. При этом увеличивается намагниченность (М) и, следовательно, возрастает индукция (В).

Зависимость индукции от напряженности внешнего магнитного поля принято называть кривой намагничивания (рис. 48).

На втором участке незначительное изменение напряженности внешнего поля ведет к заметным изменениям индукции. Этот участок принято называть участком резкого роста индукции или областью скачков Баркгаузена (II).

На третьем участке кривой намагничивания зависимость индукции от напряженности внешнего поля вновь ослабевает. Этот участок называют участком замедленного намагничивания или область намагничивания за счет процессов вращения (III).

На четвертом участке индукция растет пропорционально напряженности магнитного поля. Этот участок называют участком насыщения или областью парапроцесса (IV).

При наличии в материале частиц чужеродных не ферромагнитных фаз границам доменов энергетически выгодно проходить через частицы этих фаз. Это связано с тем, что чужеродные частицы «вырезают» часть границы домена следовательно, протяженность и энергия границы домена снижается.

Таким образом, границы доменов притягиваются к структурным неоднородностям материала — дислокациям и частицам чужеродных фаз.

Рис. 49. Изгиб границ доменов, закрепленных препятствиями, под действием внешнего поля.

При попадании ферромагнетика во внешнее магнитное поле начинается рост благоприятно ориентированных доменов, то есть их границы смещаются. Однако структурные неоднородности материала препятствуют смещению границ доменов (то есть являются точками закрепления границ доменов) и границы изгибаются под действием внешнего поля.

При дальнейшем увеличении напряженности внешнего поля изгиб границ становится настолько большим, что энергия изогнутых границ совпадает с энергией границ оторвавшихся от точек закрепления.

Дальнейший изгиб границ становится энергетически невыгодным, границы отрываются от точек закрепления и скачками перемещаются до следующего ряда точек закрепления.

Наконец, после того как все магнитные моменты атомов будут направлены по внешнему полю, прироста намагниченности происходить не может, а рост индукции происходит за счет роста напряженности магнитного поля как в парамагнетиках. Наблюдается участок насыщения или областью парапроцесса.

Если после намагничивания ферромагнетика до насыщения отключить внешнее магнитное поле намагниченность ферромагнетика полностью не снимается и сохраняется остаточная индукция (Вr). Это вызвано тем, что дефекты структуры, препятствующие перемещению границ доменов при намагничивании, препятствуют обратному смещению границ доменов при размагничивании.

Для того чтобы снять остаточную индукцию необходимо приложить поле обратной полярности. При некотором значении напряженности поля, называемом коэрцитивной силой (Нс), индукция исчезнет. Дальнейшее увеличение напряженности поля в обратном направлении приведет к намагничиванию ферромагнетика. Естественно, что знак вектора магнитной индукции при этом поменяется.

Отключение внешнего магнитного поля вновь приведет к появлению остаточной индукции, для снятия которой необходимо приложить коэрцитивную силу. Таким образом, при нахождении ферромагнетика в переменном магнитном поле появляется петля гистерезиса.

Чем больше в материале дефектов структуры, затрудняющих смещение границ зерен, тем выше значение коэрцитивной силы и шире петля гистерезиса.

Площадь петли гистерезиса характеризует затраты энергии на перемагничивание материала за один цикл:

Р=тНdB (3.3)

Важно отметить, что при нахождении магнитных материалов в переменном магнитном поле в них возникают вихревые токи. Это связано с тем, что переменное магнитное поле вызывает появление переменного электрического поля.

Очевидно, что повышение электрического сопротивления материала ведет к снижению потерь на вихревые токи.

27. Магнитомягкими называют материалы легко перемагничивающиеся под действием внешнего магнитного поля. Для таких материалов характерны низкие значения коэрцитивной силы и высокие значения магнитной проницаемости. Их используют для концентрации магнитного поля.

В большинстве случаев магнитомягкие материалы работают в переменных магнитных полях, поэтому для них важно высокое удельное электрическое сопротивление. Исторически первым магнитомягким материалом было малоуглеродистое железо, обладающее низкой механической твердостью.

Поэтому такие материалы получили название магнитомягких.

Электротехническая сталь

При легировании железа кремнием удельное электрическое сопротивление существенно возрастает. Так у сплава, содержащего 5% кремния, удельное электрическое сопротивление достигает 0,7 мкОм м, то есть увеличивается более чем в 7 раз по сравнению с чистым железом.

Кроме того, присутствие кремния в железе снижает магнитную анизотропию и магнитострикцию.

При увеличении отношения a/r снижается разница в значениях обменного интеграла по различным направлениям, а следовательно, уменьшается магнитная анизотропия.

У сплава содержащего 6,8% Si магнитная анизотропия в 3 раза меньше чем у чистого железа, а магнитострикция практически равна нулю. Наконец при добавке к железу кремния нейтрализуется вредное влияние примесей кислорода и углерода.

Поскольку у электротехнических сталей сохраняется магнитная анизотропия, то для улучшения магнитных свойств применяют текстурованную сталь, то есть сталь, у которой некоторые кристаллографические направления в соседних зернах совпадают.

Для получения стали с высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями необходимо совпадение направлений типа [111]. Для того чтобы получить магнитную текстуру применяют холодную прокатку с большими обжатиями и последующий отжиг при температуре 900-1000оС.

В ходе холодной деформации происходит ориентация зерен, а при отжиге идет рекристаллизация, приводящая к снижению плотности дислокаций и росту зерен. Текстурованную сталь называют также холоднокатаной. Холоднокатаная сталь в 1,5 раза дороже горячекатаной, но потери в ней вдвое ниже.

Важно иметь в виду, что для эффективного использования текстурованной электротехнической стали магнитный поток должен проходить вдоль направления легкого намагничивания.

Источник: https://student2.ru/khimiya/2061159-domennaya-struktura-ferromagnetikov/

Лабораторная работа № 13

Изучение доменной структуры и измерение магнитных характеристик тонких ферромагнитных пленок магнитооптическим методом.

Идея эксперимента

При прохождении плоскополяризованного света через ферромагнитную пленку происходит поворот плоскости поляризации на некоторый угол ц=kJd, где k — постоянная Кундта, J -намагниченность вещества, d — толщина пленки.

Направление вращения плоскости поляризации зависит от направления намагниченности ферромагнитной пленки, что позволяет использовать этот эффект для наблюдения доменной структуры ферромагнитных образцов. В процессе перемагничения такого образца может оказаться, что вектора намагничения двух соседних доменов антипараллельны.

Такой метод исследования доменной структуры ферромагнитного образца позволяет не только изучать процесс перемагничения, но и измерять такие магнитные характеристики тонкопленочных образцов, как поле коэрцитивной силы и поле магнитной анизотропии.

Теоретическая часть

Вещества, для которых магнитная восприимчивость намного больше единицы, называются ферромагнетиками. Ферромагнетики при температурах ниже точки Кюри разбиваются на большое число малых макроскопических областей — доменов, самопроизвольно намагниченных до насыщения.

Доменная струк-тура наблюдаются на прозрачных монокристаллических пленках редкоземельных ферритов со структурой граната R3Fe5O12 толщиной h=5—10 мкм, имеющих ось легкого намагничивания, ориентированную по нормали к поверхности пленки.

Состояние намагниченности образца выявляется с по-мощью магнитооптического эффекта Фарадея, заключающегося в том, что при прохождении плоско поляризованного света через на-магниченное тело плоскость поляризации поворачивается на угол ц, пропорциональный компоненте намагниченности вдоль светового луча и длине пути h света в магнетике.

Антипараллельно намагниченные соседние домены поворачи-вают плоскость поляризации на углы +ц и -ц соответственно. Поворотом анализатора можно погасить свет от доменов с одним направлением намагниченности, т. е. получить контрастное изо-бражение доменной структуры. Изменение намагниченности об-разца вызовет изменение светового потока.

Зависимость намагниченности ферромагнетиков J от приложен-ного магнитного поля Н имеет нелинейный и неоднозначный ха-рактер. Такое поведение ферромагнетиков в магнитном поле обу-словлено существованием в них доменов, объем и ориентация намаг-ниченности которых изменяются под действием внешнего поля.

Этот процесс называют техническим намагничиванием. Равновес-ная магнитная структура ферромагнетика определяется из усло-вия минимума энергии тела в целом, с учетом его формы и раз-меров.

Энергия W ферромагнитного тела в магнитном поле Н мо-жет быть представлена в виде суммы членов, характеризующих различные виды магнитного взаимодействия

w=wa+wh+wm+wk

На рис 1а изображен ферромагнетик, состоящий из одного домена. В этом случае во внешнем пространстве возникает магнитное поле, которое заключает в себе определенную магнитную энергию. На рис 1б имеются два домена с противоположным направлением намагничения.

Внешнее магнитное поле здесь убывает с увеличением расстояния быстрее, чем в случае а, и энергия, заключенная в поле, оказывается меньше. В случае, показанном на рис 1в, магнитное поле практически существует только в непосредственной близости от поверхности магнетика и энергия поле еще уменьшается.

На рис 1г изображен случай, когда во внешнем пространстве магнитного поля совсем нет. Здесь имеются «замыкающие» домены в форме трехгранных призм, боковые поверхности которых везде составляют угол 45? с вектором намагничения.

Вследствие этого магнитный поток проходит исключительно внутри ферромагнетика, он замыкается граничными доменами, чем и обусловлено их название замыкающие домены. Состояние г энергетически более выгодно, чем предыдущее состояние.

На рис 1д показана совокупность доменов совместно с замыкающими их доменами, у которых также нет внешнего поля. Таким образом, разбиение ферромагнетика на домены происходит потому, что при образовании доменных структур энергия ферромагнетика уменьшается.

Между соседними доменами имеются сравнительно узкие (по-рядка 102-103 межатомных расстояний) переходные слои, которые называются доменными границами (или стенками).

В этих слоях направление JS постепенно изменяется на противоположное.

Рассмотрим магнитоодноосный кристалл в виде пластинки с осью легкого намагничивания (ОЛН), перпендикулярной плоско-сти образца. В однодоменном состоянии намагниченная до насы-щения пластинка имеет энергию W,. равную максимальной магнитостатической энергии

wm=мJS2V/2.

Если намагниченность лежит в плоскости пластинки, то wm=0 и энергия w=wk=kv,

где V — объем образца. Энергия образца будет значительно снижена, если он будет размагничен, т. е. объем его будет разбит, например, на слоистые домены.

Сравним два варианта доменной структуры: а) «замкнутая» структура и б) «открытая» структура. Оце-ним энергию каждого варианта структуры, предполагая, что ши-рина доменов мала по сравнению с толщиной пластинки h.

В замкнутой доменной структуремагнитный поток полностью замкнут, поле рассеяния отсутст-вует и, следовательно, Wмa=0.

Полная энергия W складывается из энергии доменных границ Wr и энергии анизотропии wk° за-мыкающих доменов.

Число границ, приходящихся на единицу пло-щади поверхности пластинки, равно 1/D, их площадь приближен-но равна h/D. Удельная энергия доменных границ

Wr/So=уrh/D. (1)

В замыкающих доменах Js лежит по трудной оси (направление перпендикулярное оси легкого намагничения), и здесь объемная плотность энергии анизотропии равна К. Замыкающие домены имеют форму треугольных призм сечением D2/4, которые расположены на обеих поверхностях пластинки. Следовательно,

(2)

Энергия замкнутой доменной структуры, отнесенная к единице площади поверхности пластинки, равна

(3)

В большинстве ферромагнетиков уr порядка 10-3—10-2Дж/м2.

Оптимальная (равновесная) ширина доменов D определяется из условия минимума энергии Wа(D), т.е. из условия dWa/dD=0;

(4)

Подставив Da в (3), получим минимальное значение энергии для замкнутой структуры:

(5)

Используя (4), можно исключить уr и получить

(6)

В открытой доменной структуре намагниченность JS всюду лежит по ОЛН, т.е. энергия анизотропии WKб =0. Энергия системы складывается из магнитостатической энергии и энергии доменных границ. Для случая, когда D во много раз меньше толщины образца h, Киттель получил выражение

(7)

• Во многодоменном образце необходимо учитывать энергию доменных границ, которая тем больше, чем больше объемная площадь границ Sr.
• (8)
• Воспользовавшись формулами (7) и (8), получим
• (9)

Оптимальная ширина доменов Dб для открытой структуры, полученная из условия dWб/dD=0,

(10)

Энергия равновесной «открытой» структуры равна

(11)

или, в зависимости от равновесной ширины доменов Dб,

Из сравнения величины энергии для обоих типов доменной структуры (ср. формулы (5) и (11)) следует важный вывод о том, что в пластинках из материала с относительно высокой маг-нитной анизотропией {K>3,4·10-7JS2) многодоменное размагни-ченное состояние с «открытой» структурой энергетически предпоч-тительнее, чем «замкнутая» структура.

Если ферромагнитное тело находится в исходном многодоменном размагниченном состоянии, то при включении магнитного по-ля Н происходит намагничивание тела, т. е. появляется результи-рующий магнитный момент в направлении поля. Техническое на-магничивание осуществляется с помощью двух основных процес-сов:

1) смещения доменных границ, вызывающего увеличение объ-ема выгодно намагниченных доменов (в которых угол между Js и Н острый);

2) вращения вектора Js в каждом из доменов в сторону век-тора поля Н.

В данной лабораторной работе производится визуальное наб-людение процессов квазистатического намагничивания монокри-сталлических образцов со сквозной микрополосовой доменной структурой.

Начиная с некоторого критического значения напря-женности (Нст) магнитного поля можно обнаружить значительную перестройку доменов, ко-торая осуществляется путем необратимых смещений доменных границ.

По мере приближения к насыщению площадь невыгод-но намагниченных доменов резко сокращается, остаются лишь отдельные узкие домены, которые исчезают в поле насыщения Hs, когда образец становится однородно намагниченным по по-лю. Процесс намагничивания завершен.

Рассмотрим процесс перемагничивания образца, первоначаль-но находящегося в насыщенном состоянии.

Когда поле, приложен-ное вдоль ОЛН, уменьшается, то при некотором значении Нзар в образце появляются магнитные домены с обратной намагничен-ностью (зародыши).

Это поле Нзар называется полем зародышеобразования. Причиной появления зародышей служит сильное размагничивающее поле, направленное против намагниченности об-разца.

При дальнейшем уменьшении напряженности поля до нуля в результате роста числа и объема зародышей намагниченность об-разца уменьшается, но остается некоторая остаточная намагни-ченность Jr. Необратимое смещение границ происходит еще в по-ложительных полях.

При отрицательном поле —Нс площади тем-ных и светлых доменов становятся одинаковыми (J=0). Коэрци-тивная сила Нс очень близка к значению поля старта границ, Нст...

Процесс перемагничивания завершается в отрицательном поле —Hs, когда исчезнут все невыгодно намагниченные домены.

Источник: https://studbooks.net/1988295/matematika_himiya_fizika/laboratornaya_rabota