что такое домен в физике

Ферромагнетики и доменная структура

В статье ниже рассмотрим такой вид магнетиков как ферромагнетики. Разберём их основные свойства и доменную структуру.

Ферромагнетики – это особый класс магнетиков, способных обладать намагниченностью при отсутствии внешнего магнитного поля (спонтанная намагниченность).

Основные свойства ферромагнетиков

Отметим, что ферромагнетизм присущ веществам лишь в кристаллическом состоянии. Самыми известными примерами ферромагнетиков являются: железо, кобальт, соединения хрома и другие. Ферромагнетики относятся к сильномагнитным веществам, при этом их намагниченность находится в зависимости от напряженности внешнего поля нелинейно и достигает насыщения. Учитывая сказанное, магнитная восприимчивость ( χ ) и магнитная проницаемость ( μ ) для ферромагнетиков непостоянны. Так же имеет место запись:

но при этом μ и χ рассматриваются как функции от напряженности поля. С ростом напряжённости поля данные функции также получают рост, проходят через максимум, а в сильном поле (при достижении насыщения) μ стремится к единице, а χ – к нулю. Значение μ в максимуме достигает сотни тысяч единиц для большинства ферромагнетиков в условиях обычной температуры.

Монокристаллы ферромагнетиков являются анизотропными по отношению к магнитным свойствам. Каждый монокристалл содержит одно или несколько направлений, вдоль которых магнитная восприимчивость особо значима. Также имеются направления, в которых кристалл плохо намагничивается. Заметим, что, если вещество, являющееся ферромагнетиком, состоит малых поликристаллов, то оно является изотропным.

Рассмотрим еще одну отличительную черту ферромагнетиков: зависимости B → H → и J → H → являются неоднозначными, определенными предшествующей историей – для ферромагнетиков характерен магнитный гистерезис.

Для рассматриваемого класса магнетиков имеет место определенная температура, при которой вещество осуществляет фазовый переход второго рода. Такая температура носит название температуры Кюри ( T k ) или иначе: точки Кюри.

Когда значение температуры ниже точки Кюри, вещество проявляется как ферромагнетик; когда температура становится выше точки Кюри, вещество приобретает свойства парамагнетика. Вокруг точки Кюри магнитная восприимчивость ϰ отвечает закону Кюри-Вейса:

Доменная структура ферромагнетиков

Эйнштейн в ходе эксперимента показал, что ферромагнетизм вызывается спинами электронов. Как уже указывалось выше, ферромагнетики обладают спонтанной намагниченностью при отсутствии внешнего поля, но под влиянием внутренних причин спины электронов начинают выстраиваться в одном общем направлении. При этом стоит отметить, что энергетически не оптимально для ферромагнетика целиком обладать намагниченностью.

Впервые теорию о свойствах ферромагнетиков сформулировал Вейсс в 1907 году. Поверхностный взгляд может отметить, что в данной теории существует противоречие между спонтанным намагничиванием и фактом, что даже, когда значение температуры ниже точки Кюри, некоторые ферромагнетики не намагничены, хоть и имеются постоянные магниты. Данное противоречие было устранено сформулированной Вейссом гипотезой.

Ферромагнетики при температуре ниже точки Кюри в магнитном отношении распадаются на множество маленьких макроскопических областей, и каждая из них является спонтанно намагниченной. Эти области получили название доменов.

Домены направлены хаотично при обычных условиях. Тело в общем не является намагниченным. Включение внешнего поля вызывает рост доменов, имеющих ориентацию по полю, за счет доменов, имеющих ориентацию против поля; происходит смещение доменных границ. Если поле слабое, подобное смещение является обратимым. Если поле сильное, домены изменяют ориентацию в пределах всего домена; процесс приобретает необратимый характер, появляется явление гистерезиса и остаточное намагничивание.

Подобный доменный «распад» энергетически выгоден. Когда ферромагнетик дробится на домены, и появляются домены различной ориентации, наблюдается ослабление магнитного поля, порождаемого ферромагнетиком; сопутствующая энергия становится меньше. Энергия обменного взаимодействия электронов не изменяется для всех электронов за исключением электронов на границах доменов (так называемая поверхностная энергия). Ее рост обусловлен различной ориентацией спинов электронов соседних доменов. Дробление доменов получает окончание при достижении минимума суммы магнитной и обменной энергии. Условием минимума определяется также размер доменов. Доменная структура ферромагнетиков имеет эмпирическое доказательство.

Границы доменов

Резюмируя вышесказанное: чтобы минимизировать энергию магнитного поля, оптимально создать условия для уменьшения размера домена. При этом имеется препятствие, выраженное неизбежностью энергетических затрат на образование границ между доменами, поскольку намагниченность по разные стороны границы обладает разной направленностью. Граница имеет определенную толщину, в ее пределах намагниченность постепенно изменяет свое направление от ориентации в одном домене к ориентации в соседнем.

Стенки доменов имеют классификацию по особенностям поворота вектора намагниченности:

Рисунок 1 демонстрирует идеализированные структуры доменов в монокристалле. При помощи стрелок обозначены направления намагниченности.

Необходимо определить, какое свойство дает возможность использовать ферромагнетики для создания сильных полей.

Указанная отличительная черта намагничивания ферромагнетиков объясняет эффективное использование этих материалов для создания сильных магнитных полей в области, далекой до насыщения. В сильных полях наступает насыщение, и применение ферромагнетиков практически бесполезно.

Источник

Домен (магнетизм)

Домен — макроскопическая область в магнитном кристалле, в которой ориентация вектора спонтанной однородной намагниченности [1] или вектора антиферромагнетизма [2] (при температуре ниже точки Кюри или Нееля соответственно) определенным образом повернута или сдвинута относительно направлений соответствующего вектора в соседних доменах. Домены существуют в ферро- и антиферромагнитных, сегнетоэлектрических кристаллах и других веществах, обладающих спонтанным дальним порядком.

Содержание

Доменная теория

Применения на практике

См. также

Примечания

Ссылки

Полезное

Смотреть что такое «Домен (магнетизм)» в других словарях:

Магнетизм — Классическая электродинамика … Википедия

магнитные свойства веществ — магнетизм. магнетик. диамагнетизм. диамагнетик. диамагнитный. парамагнетизм. парамагнетик. парамагнитный. ферромагнетизм. ферромагнетик. ферромагнитный. антиферромагнетизм. антиферромагнетик. домен. магнон. магнитная проницаемость. коэрцитивная… … Идеографический словарь русского языка

МАГНИТЫ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА — Простейшие проявления магнетизма известны очень давно и знакомы большинству из нас. Однако объяснить эти, казалось бы, простые явления на основе фундаментальных принципов физики удалось лишь сравнительно недавно. Существуют магниты двух разных… … Энциклопедия Кольера

Франция — (France) Французская Республика (République Française). I. Общие сведения Ф. государство в Западной Европе. На С. территория Ф. омывается Северным морем, проливами Па де Кале и Ла Манш, на З. Бискайским заливом… … Большая советская энциклопедия

Магнитодвижущая сила — Единицы измерения СИ А СГС Гб Примечания … Википедия

МИКРОЧАСТИЦЫ — (от греч. μικρός – малый) – частицы очень малой массы (в частности, нулевой), для движения и взаимодействия к рых существенна дискретность (атомизм) действия. К М. относятся элементарные частицы, атомные ядра, атомы, молекулы, квазичастицы.… … Философская энциклопедия

НАМАГНИЧИВАНИЕ — процессы установления намагниченности, протекающие в в ве при действии на него внеш. магн. полем. В диамагнетиках Н. состоит в возникновении микроскопических индукц. токов, создающих намагниченность, направленную против внеш. магн. поля. В… … Физическая энциклопедия

МАГНИТНАЯ ДОМЕННАЯ СТРУКТУРА — совокупность макроскопич. областей ( доменов )магнитоупорядоченного вещества, отличающихся, в зависимости от конкретного типа магн. упорядочения, направлением намагниченности М, вектора антиферромагнетизма L или направлениями М и L одновременно… … Физическая энциклопедия

МАГНИТНАЯ ПЛЕНКА — слой магн. вещества (обычно ферро или ферримагнетика) толщиной от долей нанометра до неск. микрометров с рядом особенностей атомно кристаллич. структуры, магн., электрич. и др. физических свойств, отличающих плёнку от массивных магнетиков. М. п.… … Физическая энциклопедия

Ферриты (оксиферы) — У этого термина существуют и другие значения, см. Феррит. Стиль этой статьи неэнциклопедичен или нарушает нормы русского языка. Статью следует исправить согласно стилистическим правилам Википедии. Ферриты (оксиферы) химич … Википедия

Источник

Домен (магнетизм)

Домены — это образования, состоящие из огромного числа атомов и видимые иногда невооружённым глазом (размеры порядка 10−2 см3).

Домены существуют в ферро- и антиферромагнитных, сегнетоэлектрических кристаллах и других веществах, обладающих спонтанным дальним порядком.

Связанные понятия

Магнитосопротивление (магниторезистивный эффект) — изменение электрического сопротивления материала в магнитном поле. Впервые эффект был обнаружен в 1856 Уильямом Томсоном. В общем случае можно говорить о любом изменении тока через образец при том же приложенном напряжении и изменении магнитного поля. Все вещества в той или иной мере обладают магнетосопротивлением. Для сверхпроводников, способных без сопротивления проводить электрический ток, существует критическое магнитное поле, которое разрушает.

Упоминания в литературе

Связанные понятия (продолжение)

Эта статья — об энергетическом спектре квантовой системы. О распределении частиц по энергиям в излучении см. Спектр, Спектр излучения. Об энергетическом спектре сигнала см. Спектральная плотность.Энергетический спектр — набор возможных энергетических уровней квантовой системы.

109—1010 Гц) в однородном многодолинном полупроводнике при приложении к нему сильного электрического поля. Впервые этот эффект наблюдался Джоном Ганном в 1963 г. на арсениде галлия, затем явление осцилляций тока было обнаружено в фосфиде индия, фосфиде галлия и ряде других полупроводниковых соединений.

Источник

Что такое домен в физике

Фотомагнитный эффект в пластике

Сегнетоэлектричество в кристаллах и жидких кристаллах: природа явления, фазовые переходы, нетрадиционные состояния вещества: сегнетова соль

Физика магнитных доменов

Введение

,

(1)

,

(2)

где и — коэффициенты разложения. Они называются соответственно постоянными обмена и анизотропии.

Рис. 1. Правило правого буравчика. Если ручку буравчика (винта с правой резьбой) вращать по направлению течения кругового тока I, то поступательное движение острия буравчика определит направление магнитного момента кругового тока

Энергия любого вещества является всегда положительной величиной. Отсюда следует, что в разложениях (1) и (2) должны быть оставлены только четные степени намагниченности. Отметим, что выражения (1) и (2) носят приближенный характер, так как представляют собой первые члены разложения этих энергий по степеням намагниченности.

Каждый реальный ферромагнетик представляет собой ограниченный образец. Из-за обменного взаимодействия такой образец при T индукции магнитного поля вне образца в основном направлен против вектора намагниченности. В случае, когда образец намагничен до насыщения (все магнитные моменты атомов выстроены параллельно друг другу), энергия W_m пропорциональна объему ферромагнетика. В произвольном же случае W_m пропорциональна индукции магнитного поля вне образца (индукции размагничивающих полей).

Немного истории

Гипотеза существования доменов в ферромагнетиках получила подтверждение в экспериментах Г. Баркгаузена в 1919 году. С помощью изобретенного к тому времени электронного усилителя сигналов он обнаружил, что намагниченность при намагничивании ферромагнетика изменяется скачками (в усилителе слышались щелчки). Эти щелчки (или скачки) отвечают перемагничиванию отдельного домена или некоторой группы доменов и называются скачками Баркгаузена.

Впервые непосредственно в микроскоп наблюдали магнитные домены в 1932 году Ф. Биттер, Л.В. Хамос и П.А. Тиссен. В этих экспериментах исследователи наносили на ферромагнитный кристалл суспензию, содержавшую мелкие ферромагнитные взвешенные частицы. Последние концентрировались в основном вблизи доменных границ, где распределение намагниченности неоднородно и имеется магнитное поле. В результате была получена великолепная картина магнитных доменов. Указанный метод впоследствии получил название метода порошковых фигур или фигур Биттера.

В настоящее время для наблюдения доменных структур используются магнитооптический метод, метод электронной микроскопии, рентгенографический и нейтронографический методы. С их помощью удается получать хорошие картины магнитных доменов как на поверхности образца, так и в объеме. Домены в ферромагнетиках теперь можно непосредственно наблюдать и фотографировать. Таким образом, в настоящее время существование доменов в ферромагнетиках является установленным фактом.

Источник

ФЕРРОМАГНИТНЫЕ ДОМЕНЫ

В ферромагнетике при все спиновые моменты атомов с недостроенными d— или f-оболочками ориентируются параллельно друг другу. В результате этого намагниченность макроскопического образца должна быть близка к намагниченности насыщения. Опыт показывает, однако, что намагниченность случайно взятого куска ферромагнетика часто оказывается равной нулю. При помещении этого образца в магнитное поле результирующий магнитный момент возрастает и в достаточно слабых полях достигает насыщения.

Первое качественное объяснение такого поведения ферромагнетиков было дано в 1910 г. П. Вейссом на основе высказанной им гипотезы о существовании в ферромагнетике областей спонтанной намагниченности – доменов.

Теоретическое обоснование гипотезы Вейсса было дано Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшицем.

Вейсс предположил, что макроскопический образец ферромагнетика разбивается на множество доменов, каждый из которых намагничен до насыщения, но намагниченности отдельных доменов ориентированы различным образом. Намагниченность тела как целого представляет собой векторную сумму намагниченностей отдельных доменов.

На рис. 9.12 изображены доменные структуры, соответствующие нулевой результирующей намагниченности.

Намагничение ферромагнитного образца, имеющего нулевой результирующий магнитный момент при = 0, происходит за счет измене­ния формы и ориентации доменов (рис. 9.13).

В слабых полях наблюдается увеличение объема «выгодно» расположенных относительно внешнего поля доменов, за счет доменов с «невыгодной» ориентацией, т. е. имеет место процесс смещения границ до­менов. Процесс намагничения в слабых полях обратим.

Если внешнее поле снять, то домены восстановят исходную форму и размеры.

Увеличение поля приводит к тому, что рост выгодно ориентированных доменов осуществляется тоже за счет необратимых процессов. Обратимому смещению границ доменов могут, например, пре­пятствовать дефекты кристаллической структуры. Чтобы преодо­леть их действие, граница домена должна получить от внешнего поля достаточно большую энергию. Если снять намагничивающее поле, то дефекты помешают границам доменов вернуться в исход­ное положение. Процессы необратимого смещения границ доменов обусловливают эффект Баркгаузена, заключающийся в том, что при плавном увеличении напряженности поля значение возрас­тает в ферромагнетике не плавно, а скачкообразно (рис.9.13,г). В области высоких полей намагничение осуществляется за счет поворота намагниченностей доменов по направлению поля. При этом постепенно намагниченность выходит на так называемое техническое насыщение (участок III). После достижения технического насыщения наблюдается очень медленное возрастание на­магниченности. Оно обусловлено тем, что при Т=0 К не все спи­ны внутри доменов ориентированы строго параллельно. В сильных полях достигается параллельная ориентация магнитных моментов. Этот процесс получил название парапроцесса.

Теория процессов смещения была разработана в 1938 г.. Е. И. Кондорским,

а теория процессов вращения Н. С. Акуловым.

Предположим, что образец намагничен до насыщения.

Попытаемся размагнитить его, уменьшая постепенно внешнее поле до нуля. Изменение намагниченности не будет теперь описываться той кривой, которая наблюдалась при намагничении образца (рис. 9.13,г).

Из-за того, что произошло необратимое смещение границ доменов при =0, сохранится некоторая намагниченность , получившая название остаточной.

Для достижения нулевой намагниченности требуется приложить размагничивающее поле , называемое коэрцитивной силой. Когда поле достигает больших отрицательных значений, образец намагничивается до на­сыщения в противоположном направлении.

Рис. 9.13,г, на котором изображена часть петли гистерезиса, наглядно показывает, что процесс размагничения отстает от уменьшающего поля. Это значит, что энергия, полученная ферро­магнетиком при намагничении, не полностью отдается в процессе размагничения. Часть энергии теряется.

Найдем значение потерян­ной энергии.

Пусть при = 0 образец был ненамагничен (т. е. J=0).

Магнитная энергия, накапливаемая образцом при увеличении поля от Н=0 до Н=Н, определяется выражением .

Здесь — намагниченность, достигаемая при поле Н₁

По виду петли гистерезиса все ферромагнитные материалы можно разделить на две большие группы — магнитомягкие и магнитотвердые.

· К магнитомягким относят материалы, имеющие низкие значения коэрцитивной силы (Н_с 4 кА/м).

Магнитомягкие материалы применяются в основном для изготов­ления сердечников трансформаторов, магнитотвердые — для изго­товления постоянных магнитов.

Источник