Почему образуются ферромагнитные домены?

Ответ на этот вопрос дали Ландау и Лифшиц.

Они по­казали, что образование доменной структуры является следствием существования в ферромагнитном образце конкурирующих вкладов в полную энергию тела.

Полная энергия Е ферромагнетика складывается из:

1) обменной энергии Е ;

2) энергии кристаллографической магнитной анизотропии Е_к:

3) энергии магнитострикционной деформации ;

4) магнитоупругой энергии Е ;

5) магнитостатической энергии Е₀;

6) магнитной энергии Е_м.

Таким образом, Е=Е_обм+Е +Е +Е +Е₀+Е .

Минимуму обменной энергии в ферромагнетике соответствует со­стояние однородной намагниченности.

Энергия кристаллографической магнитной анизотропии.

Анализ кривых намагничения ферромагнитных монокристаллов показывает (рис9.14), что в ферромагнитном монокристалле существуют направления (или оси) легкого и трудного намагничения.

Физическую природу магнитной анизотропии впервые установил Н. С. Акулов.

В ферромагнитном кристалле имеются взаимодействия, которые ориентируют намагниченности вдоль определенных кристаллографических направлений (осей легкого намагничения). К этому приводит перекрытие электронных орбит: спиновые моменты взаимодействуют с орбитальными из-за наличия спин-орбитальной связи, а орбитальные моменты, в свою очередь, взаимодействуют с кристаллической решеткой за счет существующих в ней электростатических полей и перекрытия волновых функций соседних атомов.

Энергия магнитострикционной деформации.

Магнитострикция— это изменение размеров тела при намагничении.

Например, никель при намагничении до насыщения сжимается в направлении намагничения и увеличивается в размерах в поперечном направлении.

Железо, наоборот, в слабых полях удлиняется в направлении на­магничения.

Величина получила название константы магнитострикции (здесь — изменение длины образца при намаг­ничении до насыщения, — его исходная длина).

Энергия магнитострикционной деформации

где Е — модуль Юнга.

Магнитострикционный эффект является обратимым.

Это означает, что если размеры ферромагнитного об­разца изменяются при намагничении, то при изменении размеров под действием упругих напряжений изменяется его намагничен­ность.

Магнитостатическая энергия. Она определяется выражением ,

где — величина, называемая размагничивающим фактором.

По­явление энергии связано с тем, что при наличии свободных по­люсов возникает размагничивающее поле.

Магнитостатическая энергия уменьшается, если образец разбивается на анипараллельно намагниченные домены (рис.9.15).

Значение может быть уменьшено практически до нуля при образовании доменов, замыкающих маг­нитные потоки внутри ферромагнитного вещества.

Магнитная энергия. Эта энергия ферромагнетика во внешнем магнитном поле :

.

Минимуму полной энергии ферромагнетика соответству­ет не насыщенная конфигурация, а некоторая доменная струк­тура.

Домены отделены друг от друга границами, в которых осуще­ствляется изменение ориентации спинов.

Структура границы, на­зываемой также стенкой Блоха, играет важную роль в процессах намагничивания.

Полный переворот спинов от направления в од­ном домене к направлению в соседнем домене не может осуществ­ляться скачком в одной плоскости.

Образование такой резкой границы привело бы к очень большому проигрышу в обменной энергии.

Если же поворот спинов происходит постепенно и захватывает много атомных плоскостей, то проиг­рыш в обменной энергии меньше (рис.9.16).

Пусть переворот спина распределен между п плоскостями.

То­гда при переходе через доменную границу направления соседних спинов отличаются на угол /п.

Обменная энергия двух соседних спинов имеет не минимальное значение — AS ², а равна — AS ¹cos .

Так как полный переворот спина на 180° осуществляется за n шагов, то на это потребуется энергия

При достаточно больших п имеем cos .

Тогда

Это значение в 2 n / ² раз меньше, чем проигрыш в энергии при скачкообразном перевороте спинов.

Толщина стенки Блоха увеличивалась бы беспредельно, если бы не магнит­ная анизотропия, препятствующая этому. Спины в доменной гра­нице ориентированы в подавляющем большинстве не вдоль осей легкого намагничения. Поэтому доля энергии анизотропии, связан­ная со стенкой Блоха, увеличивается примерно пропорционально ее толщине. Баланс между обменной энергией и энергией анизо­тропии определяет толщину доменной стенки. В железе эта толщи­на составляет примерно 300 постоянных решетки.

Доменная структура тонких ферромагнитных пленок весьма специфична. Характер доменов и границ между ними существенно зависит от толщины пленки. При малой толщине из-за того, что размагничивающий фактор в плоскости пленки на много порядков меньше, чем в направлении нормали к ней, намагниченность рас­полагается параллельно плоскости пленки. В этом случае образо­вания доменов с противоположными направлениями намагничива­ния по толщине пленки не происходит.

Доменная структура в этом случае может быть подобна изображенной на рис.9.17.

В пленках, толщина которых больше некоторой критической ,воз­можно образование доменов полосовой конфигурации.

Пленка раз­бивается на длинные узкие домены шириной от долей, микрометра до нескольких микрометров, причем соседние домены намагничены в противоположных направлениях вдоль нормали к поверхности (рис.9.17).

Такие магнитные пленки получили название «закритических». Толщина находится в пределах 0,3—10 мкм.

Приложение внешнего магнитного поля, направленного перпен­дикулярно плоскости пленки с полосовыми доменами, приводит к изменению размеров и формы доменов. При увеличении поля происходит уменьшение длины полосовых доменов, а затем наи­меньший домен превращается в цилиндрический. В некотором ин­тервале значений внешнего магнитного поля в пленке могут суще­ствовать как полосовые домены, так и ЦМД (цилиндрические магнитные домены). Дальнейшее увели­чение поля приводит к тому, что ЦМД уменьшается в диаметре, а оставшиеся полосовые домены превращаются в цилиндрические. ЦМД могут исчезнуть (коллапсировать) при достижении некото­рого значения поля и, таким образом, вся пленка намагнитится однородно.