» » » » » » Domenii magnetice

Domenii magnetice

postat în: Electromagnetism | 0
Granulele microcristaline dintr-o bucată de Nd2Fe14B
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:NdFeB-Domains.jpg 

(Granulele microcristaline dintr-o bucată de Nd2Fe14B (aliajul utilizat în magneți neodimici) cu domenii magnetice făcute vizibile cu un microscop Kerr. Domeniile sunt dungile luminoase și întunecate vizibile în fiecare granulă.)

Un domeniu magnetic este o regiune dintr-un material magnetic în care magnetizarea se află într-o direcție uniformă. Aceasta înseamnă că momentele magnetice individuale ale atomilor sunt aliniate unul cu celălalt și arată în aceeași direcție. Când se răcește sub o temperatură numită temperatura Curie, magnetizarea unei bucăți de material feromagnetic se împarte în mod spontan în multe regiuni mici numite domenii magnetice. Magnetizarea în fiecare domeniu indică o direcție uniformă, dar magnetizarea diferitelor domenii poate indica în direcții diferite. Structura domeniului magnetic este responsabilă pentru comportamentul magnetic al materialelor feromagnetice precum fierul, nichelul, cobaltul și aliajele sale, precum și materialele ferimagnetice precum ferita. Aceasta include formarea de magneți permanenți și atracția materialelor feromagnetice în un câmp magnetic. Regiunile care separă domeniile magnetice sunt numite pereți de domenii, unde magnetizarea se rotește coerent din direcția dintr-un domeniu în cel din domeniul următor. Studiul domeniilor magnetice se numește micromagnetică.

Domeniile magnetice se formează în materialele care au ordonări magnetice; adică dipolii lor se aliniază spontan datorită interacțiunii de schimb. Acestea sunt materialele feromagnetice, ferimagnetice și antiferomagnetice. Materialele paramagnetice și diamagnetice, în care dipolii se aliniază ca răspuns la un câmp extern, dar nu se aliniază spontan, nu au domenii magnetice.

Dezvoltarea teoriei domeniului

Teoria domeniului magnetic a fost dezvoltată de fizicianul francez Pierre-Ernest Weiss care, în 1906, a sugerat existența unor domenii magnetice în feromagneți. El a sugerat că un număr mare de momente magnetice atomice (de obicei 1012-1018) au fost aliniate paralel. Direcția de aliniere variază de la domeniu la domeniu într-o manieră mai mult sau mai puțin aleatorie, deși anumite axe cristalografice pot fi preferate de momentele magnetice, numite axe ușoare. Weiss tocmai a trebuit să explice motivul alinierii spontane a momentelor atomice într-un material feromagnetic și el a venit cu așa-numitul câmp mediu Weiss. El a presupus că un moment magnetic dat într-un material a experimentat un câmp magnetic foarte eficient datorită magnetizării vecinilor săi. În teoria originală Weiss câmpul mediu a fost proporțional cu magnetizarea în masă M, astfel încât

He = α M

unde α este constanta medie a câmpului. Totuși, acest lucru nu este aplicabil feromagneților datorită variației magnetizării de la domeniu la domeniu. În acest caz, câmpul de interacțiune este

He = α Ms

unde Ms este magnetizarea de saturație la 0K.

Ulterior, teoria cuantică a făcut posibilă înțelegerea originei microscopice a câmpului Weiss. Interacțiunea de schimb între spini localizați a favorizat o stare paralelă (în feromagneți) sau anti-paralelă (în anti-feromagneți) a momentelor magnetice învecinate.

Structura domeniului

Energia magnetostatică (Cum reduce energia magnetostatică divizarea unui material feromagnetic în domenii magnetice)

De ce se formează domenii

Motivul pentru care o bucată de material magnetic, cum ar fi fierul, se împarte spontan în domenii separate, mai degrabă decât să existe într-o stare cu magnetizare în aceeași direcție în tot materialul, este să minimizeze energia sa internă. O regiune vastă de material feromagnetic cu o magnetizare constantă va crea un câmp magnetic mare care se extinde în spațiul din afară (diagrama a). Acest lucru necesită o cantitate mare de energie magnetostatică stocată în câmp. Pentru a reduce această energie, eșantionul se poate împărți în două domenii, cu magnetizarea în direcții opuse în fiecare domeniu (diagrama b. Liniile câmpului magnetic trec în bucle în direcții opuse prin fiecare domeniu, reducând câmpul în afara materialului. Pentru a reduce energia câmpului în continuare, fiecare dintre aceste domenii se poate împărți, de asemenea, având ca rezultat domenii paralele mai mici cu magnetizare în direcții alternative, cu cantități mai mici de câmp în afara materialului.

Structura domeniului materialelor magnetice reale nu se formează de obicei prin procesul de divizare a domeniilor mari în cele mai mici așa cum este descris aici. Atunci când o probă este răcită sub temperatura Curie, de exemplu, configurația domeniului de echilibru apare pur și simplu. Domeniile pot fi împărțite, iar descrierea divizării domeniilor este adesea folosită pentru a dezvălui compromisurile energetice în formarea domeniului.

Dimensiunea domeniilor

După cum s-a explicat mai sus, un domeniu care este prea mare este instabil și se va împărți în domenii mai mici. Dar un domeniu suficient de mic va fi stabil și nu se va împărți, iar acest lucru determină dimensiunea domeniilor create într-un material. Această dimensiune depinde de echilibrul mai multor energii din material. De fiecare dată când o regiune de magnetizare se împarte în două domenii, se creează un perete de domeniu între domenii, unde dipolii magnetici (molecule) cu magnetizare care indică direcții diferite sunt adiacente. Interacțiunea de schimb care creează magnetizarea este o forță care tinde să alinieze dipolii din apropiere, astfel încât aceștia să se îndrepte în aceeași direcție. Forțând dipolii adiacenți să se îndrepte în direcții diferite necesită energie. Prin urmare, un perete de domeniu necesită o energie suplimentară, numită energia peretelui de domeniu, proporțională cu aria peretelui.

Astfel, cantitatea netă cu care energia este redusă atunci când un domeniu se împarte este egală cu diferența dintre energia câmpului magnetic salvată și energia suplimentară necesară pentru a crea peretele de domeniu. Energia câmpului este proporțională cu cubul dimensiunii domeniului, în timp ce energia peretelui de domeniu este proporțională cu pătratul dimensiunii domeniului. Deoarece domeniile devin mai mici, energia netă salvată prin divizare scade. Domeniile continuă să se împartă în domenii mai mici, până când costul de energie al creării unui perete de domeniu suplimentar este egal cu energia câmpului salvat. Atunci domeniile de această dimensiune sunt stabile. În majoritatea materialelor domeniile sunt de dimensiuni microscopice, în jur de 10-4 – 10-6 m.

Anisotropia magnetică
Micrograf de suprafață a materialului feromagnetic
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Weiss-Bezirke1.png

(Micrograf de suprafață a materialului feromagnetic, arătând granulele de cristal, fiecare împărțit în mai multe domenii paralele cu axa magnetică „ușoară”, cu magnetizarea în direcții alternative (zonele roșii și verzi))

Un mod suplimentar pentru ca materialul să-și reducă în continuare energia magnetostatică este să formeze domenii cu magnetizare în unghiuri drepte față de celelalte domenii (diagrama c), în loc să se opună doar direcțiilor paralele. Aceste domenii, numite domenii de închidere a fluxului, permit liniilor de câmp să se rotească la 180° în interiorul materialului, formând bucle închise în întregime în material, reducând energia magnetostatică la zero. Cu toate acestea, formarea acestor domenii implică două costuri suplimentare de energie. Mai întâi, rețeaua de cristal a majorității materialelor magnetice are o anizotropie magnetică, ceea ce înseamnă că are o direcție „ușoară” de magnetizare, paralelă cu una dintre axele cristalului. Schimbarea magnetizării materialului în orice altă direcție necesită o energie suplimentară, numită „energia anizotropiei magnetocristaline„.

Magnetostricțiunea

Celelalte costuri de energie pentru crearea de domenii cu magnetizare la un unghi față de direcția „ușoară” sunt cauzate de fenomenul numit magnetostricțiune. Când magnetizarea unei bucăți de material magnetic este schimbată într-o direcție diferită, aceasta determină o ușoară modificare a formei sale. Schimbarea câmpului magnetic face ca moleculele dipolului magnetic să schimbe ușor forma, făcând astfel latura cristalină mai lungă într-o singură dimensiune și mai scurtă în alte dimensiuni. Cu toate acestea, din moment ce domeniul magnetic este „comprimat”, cu limitele sale fiind susținute rigid de materialul din jur, nu se poate schimba de fapt forma. Deci, schimbarea direcției de magnetizare induce mici solicitări mecanice în material, necesitând mai multă energie pentru a crea domeniul. Aceasta se numește „energie de anizotropie magnetoelastică„.

Pentru a forma aceste domenii de închidere cu magnetizare „laterală” este nevoie de energie suplimentară datorită celor doi factori menționați mai sus. Astfel, domeniile de închidere a fluxului se vor forma doar unde energia magnetostatică salvată este mai mare decât suma „energiei de schimb” pentru a crea peretele de domeniu, energia anizotropiei magnetocristaline și energia anizotropiei magnetoelastice. Prin urmare, cea mai mare parte a volumului materialului este ocupată de domenii cu magnetizare fie „în sus”, fie „în jos” de-a lungul direcției „ușoare”, iar domeniile de închidere a fluxului se formează numai în zone mici, la marginea celorlalte domenii unde sunt necesară pentru a asigura o cale pentru schimbarea liniilor de câmp magnetic (diagrama c).

Structura granulelor

Cele de mai sus descriu structura domeniului magnetic într-o latură de cristal perfectă, cum ar fi într-un singur cristal de fier. Cu toate acestea, cele mai multe materiale magnetice sunt policristaline, compuse din granule cristaline microscopice. Aceste granule nu sunt aceleași cu domeniile. Fiecare granulă este un cristal mic, cu laturile cristaline ale granulelor separate orientate în direcții aleatorii. În majoritatea materialelor, fiecare granulă este suficient de mare pentru a conține mai multe domenii. Fiecare cristal are o axă magnetică „ușoară” și este împărțită în domenii cu axa de magnetizare paralelă cu această axă, în direcții alternative.

Stări „magnetizate”

Se poate observa că, deși la scară microscopică aproape toți dipolii magnetici dintr-o bucată de material feromagnetic sunt aliniați paralel cu vecinii lor în domenii, creând câmpuri magnetice locale puternice, reducerea energiei rezultă într-o structură de domeniu care minimizează  câmpul magnetic de dimensiuni mari. Domeniile indică direcții diferite, limitând liniile de câmp la buclele microscopice dintre domeniile învecinate din cadrul materialului, astfel încât câmpurile combinate se anulează la distanță. Prin urmare, o piesă per ansamble de material feromagnetic în starea sa cea mai joasă de energie are un câmp magnetic exterior mic sau deloc. Se spune că materialul este „nemagnetizat”.

Cu toate acestea pot exista, de asemenea, domenii în alte configurații în care magnetizarea lor se află în cea mai mare parte în aceeași direcție, creând un câmp magnetic extern. Deși acestea nu sunt configurații energetice minime, datorită fenomenului în care pereții domeniului devin „țintuiți” la defectele din laturile cristaline, ele pot fi minime locale ale energiei și, prin urmare, pot fi foarte stabile. Aplicarea unui câmp magnetic extern pe material poate face ca pereții domeniului să se miște, determinând creșterea domeniilor aliniate câmpului, iar domeniile opuse să se micșoreze. Atunci când câmpul extern este îndepărtat, pereții domeniului rămân fixați în noua lor orientare, iar domeniile aliniate produc un câmp magnetic. Acest lucru se întâmplă atunci când o piesă de material feromagnetic este „magnetizată” și devine un magnet permanent.

Încălzirea unui magnet, supunerea acestuia la vibrații prin ciocnire sau aplicarea unui câmp magnetic oscilant rapid dintr-o bobină de demagnetizare, tinde să tragă pereții domeniului pentru a-i elibera din stările lor fixate și vor reveni la o configurație de energie mai mică, cu un câmp magnetic exterior mai mic, astfel „demagnetizând” materialul.

Summary
Review Date
Reviewed Item
Domenii magnetice
Author Rating
51star1star1star1star1star

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *

Acest sit folosește Akismet pentru a reduce spamul. Află cum sunt procesate datele comentariilor tale.