Домени, механізми перемагнічування та магнітні властивості
Розглянута в розд. 5.2 картина розташування магнітних моментів вкрай рідко поширюється цілком на весь кристал, набагато частіше області з однаковою орієнтацією магнітних моментів, звані доменами, мають розмір порядку мікрометра, сам же кристал складається з безлічі доменів, причому орієнтація в сусідніх доменах не обов’язково сонаправленнимі. Походження доменів пов’язано з прагненням кристала мати якомога меншу загальну вільну енергію. Якби кристал являв собою один домен, то поза кристала виходило б значне магнітне поле (див. Рис. 5.11 а). З цим полем пов’язана щільність енергії магнітного поля, рівна і значна загальна енергія магнітного поля. Ця енергія значно зменшиться, якщо кристал буде містити два приблизно однакових домену з протилежного орієнтацією, (див. Рис. 5.11 б). При наявності ж чотирьох доменів (див. Рис. 5.11 в) вона стане ще менше. Таким чином, з точки зору зменшення енергії магнітного поля вигідно розбиття кристала на домени так, щоб силові лінії вектора як би “замикалися” всередині кристалу.
Кордони сусідніх доменів утворюють доменну стінку товщиною порядку декількох міжатомних відстаней, в якій відбувається переорієнтація магнітних моментів (див. Рис. 5.12). Очевидно, що така переорієнтація пов’язана з додатковою енергією, пов’язаної як з енергією магнітної анізотропії, так і з енергією, пов’язаної з взаємодією не зовсім паралельних магнітних моментів поблизу доменної стінки, розглянутої в розділі, присвяченому спіновою хвилях. Прагнення звести до мінімуму енергію магнітної анізотропії вимагає мінімальної товщини доменної стінки, бажано менш ніж в 1 міжатомних відстань, оскільки при збільшенні її товщини зростає число магнітних моментів, орієнтованих не в напрямку легкого намагнічування. Однак при цьому зростає енергія обмінної взаємодії (див. Розд. 5.3), для якої оптимальним буде поступова зміна орієнтації магнітних моментів, як це зображено на рис. 5.12. З умови мінімуму цих двох вкладів може бути обчислена оптимальна товщина доменної стінки [5-7].
Розбиття на занадто дрібні домени також не вигідно, оскільки при цьому буде зростати “поверхнева” енергія доменних стінок. Через розглянутої конкуренції поверхневої енергії та енергії макроскопічного магнітного поля і спостерігаються “оптимальні” розміри доменів порядку 1 мкм. До приблизно таким розмірам призводять і теоретичні розрахунки, що наводяться в книгах з магнетизму [5-6]. Утворенню більш дрібних доменів сприяють дефекти кристалічної структури, детально розглянуті в гл. 2.
Існуванням доменів пояснюється перемагничивание багатьох ферромагнетиков в дуже малих магнітних полях. Розглянемо ділянку феромагнетика, намагнічуються полем напруженості, що складається з декількох доменів з різною орієнтацією (див. Рис. 5.11). Для простоти будемо вважати, що доменна стінка має малу товщину, порядку межатомного відстані. Домен 1 нехай має вигідну орієнтацію паралельну, домен 2 – невигідну. Йому було б вигідно мати орієнтацію як у домена 1, проте дружний поворот всіх магнітних моментів атомів відразу енергетично утруднений і статистично малоймовірний в малих полях. Кожному окремому атому домену 2 повернутися уздовж не дають його сусіди-атоми, що утримують його від такого розвороту. Однак атом А, що знаходиться в домені 2 біля кордону розділу доменів 1 і 2 знаходиться в особливому положенні – у нього приблизно рівне число найближчих сусідів як з вигідною, так і з невигідною орієнтацією. Тому магнітний момент цього атома може порівняно легко змінити свою орієнтацію з невигідною на вигідну і атом приєднається до домену 1. При цьому домен 1 збільшиться, а домен 2 зменшиться. Вийде тоді, що ділянка доменної стінки як би перемістився на одне міжатомних відстань. Якщо врахувати кінцівку товщини доменної стінки, то хід міркувань зберігається: виходить послідовна переорієнтація магнітних моментів атомів і ефект переміщення доменної стінки. Такий механізм перемагнічування, званий перемагнічуванням за рахунок зміщення доменних стінок, спостерігається в малих магнітних полях.
Рух доменних стінок у різним чином орієнтованих доменів відбувається в полях різної величини. Різні дефекти структури (див. Гл. 2) також перешкоджають руху доменних стінок, причому в різному ступені.
Крива намагнічування має 4 характерних ділянки. Ділянка 0-1 називається областю оборотного руху доменних стінок, закріпилися місцями за дефекти. При такому русі зростає площа і енергія доменних стінок; при зменшенні вектора стінки, прагнучи зменшити свою поверхневу енергію, повертаються в початкове положення подібно пружним розтягнутим мембран. Ділянка 1-2 відповідає необоротного руху доменних стінок. При такому русі стінки долають перешкоди, що заважають їх руху, і зменшення поля вже не призведе до їх переміщення на старі місця, оскільки їм тоді знову доведеться долати “пройдені” перешкоди, але в протилежному напрямку. Ділянка 2-3 відповідає механізму перемагнічування за рахунок обертання векторів не зовсім вдало орієнтованих доменів як цілих, таке обертання спостерігається в порівняно сильних полях і називається механізмом перемагнічування за рахунок обертання вектора намагніченості. Ділянка 3-4 відповідає повному розвороту всіх магнітних моментів феромагнетика уздовж вектора, що відповідає йому величина називається намагнічеснностью насичення, а модуль поля, в якому досягається, називається полем насичення. Величина показує максимально досяжну величину магнітного моменту одиниці об’єму феромагнетика.
Якщо тепер почати зменшувати від до нуля, то відповідає насиченню картина розташування магнітних моментів в першому наближенні збережеться: справді, тепер магнітні моменти атомів в доменах можуть зберегти свою орієнтацію завдяки взаємодії один з одним. Тому при матиме кінцеву величину, звану залишкової намагніченістю. При зміні від до 0 точка, що задає стан магнетика, виявиться в точці 5 на рис. 5.13.
При збільшенні, в сторону проти почнеться процес перемагнічування, вже розглянутий вище, і при значенні, званому полем розмагнічування, або значно частіше коерцитивної силою, прийме нульове значення (точка 6 на рис. 5.13). При цьому зразок феромагнетика розмагнітиться: більш точно, в його обсязі будуть домени з різною орієнтацією вектора, але векторна сума всіх магнітних моментів феромагнетика стане раною нулю. При подальшому збільшенні зразок знову намагнітиться, але вже в протилежний бік. При буде досягнуте насичення (точка 7 на рис. 5.13).
Якщо знову змінити від – до то вийде ділянку 7-8-4 залежності. У підсумку виходить залежність нагадує петлю, званої петлею гистерезиса.
Можна, рухаючись по ділянці 8-4, не дійти до точки 4 і в точці 9, якому відповідає поле, почати знову зменшувати поле від до -; тоді точка 9, задає стан магнетика, перейде в точку 10. Певним чином змінюючи, можна опинитися в принципі в будь-якій точці всередині петлі гистерезиса. При циклічному зміні від до виходить так звана приватна петля гистерезиса з максимальним полем. Можна показати, що кінці приватних петель гістерезису розташовуються на кривій намагнічування. В різних пристроях часто використовуються приватні цикли перемагничивания с – так званим полем максимальної проникності, оскільки у разі, коли – максимально, найбільш ефективним чином використовується властивість феромагнетика посилювати поле.
Можна показати (див. Задачу 5.6), що площа петлі гістерезису, побудованої в координатах дорівнює енергії витрачається на циклічне перемагнічування одиниці об’єму феромагнетика.
Таким чином, щоб визначити значення феромагнетика недостатньо знати поле, в якому він знаходиться, необхідно знати “передісторію” феромагнетика. Зокрема, намагніченість магнетика після “відключення” поля буде залежати від величини цього поля. Цей ефект використовується для магнітного запису інформації. Для цього різні ділянки феромагнетика у вигляді тонкого магнітного шару, нанесеного на діамагнітний диск або стрічку, намагничивают полем, створюваним мініатюрним джерелом магнітного поля – записуючої головкою. В результаті такого запису різні ділянки феромагнетика будуть мати різну залишкову намагніченість, що несе в собі інформацію про полі, створюваному записуючої головкою. Записана інформація може довго зберігатися. За допомогою різних пристроїв званих зчитувальними головками, принципи роботи яких обговорюються в [9], величина в різних точках стрічки або диска може бути виміряна, а записана інформація – зчитана і перетворена на записаний раніше електричний сигнал. В даний час досягнута дуже висока щільність запису – понад 100 мегабіт на см2, тобто площа одиниці записи має порядок 1 мкм2. Очевидно, що необхідними вимогами до “носію” магнітного запису є: досить високі коерцитивної сила і температура Кюрі, а також максимально близька до лінійної залежність [9].
Магнітні матеріали. Для різних технічних додатків необхідні матеріали з різними параметрами петлі гистерезиса і, в першу чергу, коерцитивної сили – від 10-1до 106 А / м. Найбільше практичне застосування мають матеріали з особливо малими (магнітномягкіе магнітні матеріали) і особливо великими (магнітножесткіе магнітні матеріали) значеннями.
Магнітномягкіе матеріали застосовують в пристроях, які повинні перемагнічуватися в малих магнітних полях, це: датчики магнітного поля, зчитувальні головки для читання магнітного запису, сердечники трансформаторів. У більшості цих випадків бажано мати матеріал з максимальними значеннями; мінімальними значеннями і площі петлі гістерезису. Для таких матеріалів необхідно максимально полегшити рух доменних стінок при перемагнічуванні, зменшити вплив магнітної анізотропії та магнитострикции. Для цього в сплаві необхідно зменшити кількість дефектів, що заважають вільному руху доменних стінок, і використовувати склади сплавів зі слабкою магнітною анізотропією і магнітострикції. У разі використання магнітномягкіх матеріалів в змінних магнітних полях бажано мати велике електроопір магнетика. Саме таким вимогам задовольняють сучасні магнітномягкіе матеріали (див. Табл. 5.1).
(1 votes, average: 5.00 out of 5)