mały|300px|Paskowe domeny magnetyczne w ziarnie krystalicznym materiału magnetycznie miękkiego (fotografia pokazuje obszar o szerokości ok. 0,1 mm) mały|300px|Domeny magnetyczne w magnesie neodymowym (fotografia pokazuje obszar o szerokości ok. 0,1 mm)

Domeny magnetyczne – spontanicznie namagnesowane obszary w ferromagnetykach lub ferrimagnetykach, w których występuje uporządkowanie momentów magnetycznych. Każda z domen jest namagnesowana do nasycenia magnetycznego. Sąsiednie domeny są rozdzielone ściankami domenowymi, w których następuje zmiana orientacji momentów. Domeny zanikają powyżej temperatury Curie, ponieważ materiał traci wówczas własności ferromagnetyczne.

Odkrycie i badania naukowe Istnienie domen zasugerował Pierre-Ernest Weiss w 1907Hellemans, Alexander; Bryan Bunch (1988). The Timetables of Science. New York, New York: Simon and Schuster, 411. .

W swojej pracy dyplomowej w 1896 Weiss opisał związek pomiędzy magnetyzacją a symetrią kryształów. W latach 1906–1907 odkrył, że momenty magnetyczne atomów ferromagnetyka ustawiają się w zorientowany sposób, nawet bez obecności zewnętrznego pola magnetycznego. Sposób zorientowania był ściśle związany z ukierunkowaniem kryształu metalicznego.

Wyjaśnienie ścianek domenowych podał w 1931 Felix Bloch, a później Louis Eugène Félix Néel wykazał istnienie innego typu ścian.

Pierwszy realistyczny model domen zaproponowali Lew Landau i Jewgienij Lifszyc w 1935 roku.

Prace nad zachowaniem domen prowadził m.in. Alfred Ewing, który skonstruował model zawierający matrycę obracających się magnesów i badając taki model przewidział np. ogólny kształt charakterystyki przemagnesowania obrotowegoBozorth R.M., Ferromagnetism, D. Van Nostrand Company, Inc., Princeton, New Jersey, USA, 1951.

Badanie struktur domenowych było ważnym krokiem w zrozumieniu mechanizmu magnesowania materiałów magnetycznych. Przyczyniło się to do stworzenia ulepszonych materiałów magnetycznie miękkich (np. orientowana blacha elektrotechniczna) lub twardych. Badania naukowe nad domenami trwają nadalLeibniz Institute for Solid State and Materials Research DresdenWolfson Centre for Magnetics i ciągle odkrywane są nowe zależności i zachowania struktur domenowych.

Powód istnienia domen mały|Powstawanie domen magnetycznych: a) jedna domena, b) dwie antyrównoległe domeny, c) wiele domen – minimalny stan energii W ferromagnetykach i ferrimagnetykach atomy znajdują się na tyle blisko siebie, że momenty magnetyczne niesparowanych elektronów silnie oddziałują ze sobą, analogicznie do magnesów sztabkowych, których bieguny różnoimienne przyciągają się powodując ich ustawienie w jednej linii (czyli równolegle). Prowadzi to do spontanicznego namagnesowania materiału co pozwala na obniżenie wewnętrznej energii magnetycznej.

Sąsiadujące momenty ustawiają się równolegle, co powoduje powstawanie domen magnetycznych. Jednakże, jeśli spontanicznie namagnesowany obszar jest wystarczająco duży następuje podział domeny na mniejsze części, z których każda jest namagnesowana antyrównolegle do sąsiedniej (lub prostopadle w przypadku domen zamykających). Pozwala to na zawarcie całkowitej energii magnetycznej wewnątrz danego ziarna lub kryształu, czyli osiągnięcie stanu o jeszcze niższej energii.

Ścianki domenowe

mały|Obroty momentów magnetycznych w ściance (B) Ścianki domenowe są obszarami granicznymi pomiędzy dwiema domenami. Ścianka ma grubość rzędu tylko kilkuset atomów – w porównaniu do szerokości domeny rzędu nawet kilku milimetrów.

W ściance momenty magnetyczne kolejnych cząsteczek obracają się o nieznaczny kąt tak, że na przestrzeni kilkuset atomów następuje obrót o 90° lub 180° w zależności od rodzaju domeny i ustawienia kierunku namagnesowania domen po obu stronach ściany.

Rozróżnia się dwa rodzaje ścianek domenowych: Ścianki Blochaobrót momentów następuje równolegle do powierzchni ścianki, Ścianki Néela obrót momentów następuje prostopadle do powierzchni ścianki.

Rodzaje domen mały|Prosta struktura paskowa i bardziej skomplikowana (poza ziarnem) mały|Domena lancetowa Kształty i wygląd domen może przyjmować rozmaite postaciePrzykłady różnych domen. W materiałach magnetycznie miękkich często występują domeny paskowe, ale na granicy ziaren krystalicznych struktura domenowa może być bardzo skomplikowana. Istnieje praktycznie nieskończona liczba kombinacji wyglądu domen nawet dla tego samego materiału, ponieważ zależy to od wpływu wielu czynników: grubość materiału, ukierunkowanie kryształu, obecność innych ziaren, kierunek zewnętrznego pola magnetycznego, obecność naprężeń mechanicznych, itd.

Paskowe domeny sąsiadujące są ustawione antyrównolegle – i często określa się je mianem domen 180°, natomiast zamykające domeny prostopadłe nazywane są domenami 90°.

Inne przykłady kształtów domen to domeny lancetowe, które powstają jeśli kryształ ziarna położony jest pod pewnym kątem (tzn. nie całkowicie równolegle) do powierzchni materiału, domeny "bąbelkowe" w cienkich warstwach granatu itrowo-żelazowego Y2,35Bi0,65Fe5O12.

Jednym z najważniejszych parametrów materiałów magnetycznie twardych jest duża wartość koercji. Jest ona uzyskiwana przez wprowadzenie do materiału dużych ilości dyslokacji krystalicznych, wtrąceń półmetalicznych, itd. Powodują one punkty utrudniające poruszanie się ścianek domenowych oraz skomplikowanie struktury domenowej.

Rozmiary domen mały|Jeśli rozmiary materiału są niewielkie to występuje brak wyraźnych domen Z uwagi na energię anizotropii kryształu domeny ustawiają się w kierunku najłatwiejszego magnesowania kryształu. Im czystszy kryształ tym większe rozmiary domen.

Najdłuższe domeny występują w orientowanych blachach elektrotechnicznych, w których długość monokrystalicznego ziarna (i domeny) może sięgać nawet powyżej 20 mm. Najczęściej domeny mają tę samą grubość co cały monokryształ, czyli około 0,23-0,35 mm w przypadku blachy elektrotechnicznej. Rozmiary poprzeczne zależą od dodatkowych uwarunkowań, jak np. energia anizotropii kryształu, temperatura, częstotliwość przemagnesowania, itd. W stanie rozmagnesowanym domeny paskowe mogą osiągać szerokość do kilku mm.

W materiałach magnetycznie twardych domeny mogą być bardzo małe.

Rozmiar jest oczywiście również ograniczony wielkością monokryształu i grubością ścianek domenowych. W przypadku ziarna o średnicy kilkuset atomów wymiar kryształu jest porównywalny z grubością ścianki domenowej i w takim przypadku pojęcie klasycznej domeny magnetycznej przestaje mieć znaczenie. Kierunki momentów magnetycznych poszczególnych atomów nie leżą wówczas równolegle i zmieniają się ciągle w całej objętości materiałuhttp://boincatpoland.home.pl/wiki/Cele_naukowe_Spinhenge@home.

Znaczenie praktyczne Istnienie i zachowanie domen magnetycznych ma olbrzymie znaczenie praktyczne. W procesie przemagnesowania zachodzi ciągła zmiana objętości domen (w wyniku przesuwania ścianek) co skutkuje zmianą globalnego stanu namagnesowania materiału. Pociąga to za sobą szereg zjawisk fizycznych.

mały|300px|Krzywa magnesowania i odpowiadające zmiany struktury domenowej

Proces magnesowania W rozmagnesowanym materiale objętości wszystkich domen ustawiają się tak, aby zminimalizować całkowitą energię magnetyczną, co objawia się brakiem zewnętrznego pola magnetycznego emitowanego przez materiał. Jeśli nie jest przyłożone żadne zewnętrzne pole magnetyczne, to materiał pozostaje w nienamagnesowanym stanie i domeny w jednym kierunku mają równą objętość w porównaniu do domen antyrównoległych (punkt 1 na rysunku).

Jeśli jednak zostanie przyłożone zewnętrzne pole magnetyczne, to domeny, których kierunek jest najbardziej zbliżony do kierunku pola zaczną zwiększać swoją objętość kosztem innych domen (punkty 2 i 3).

Przy dalszym zwiększaniu natężenia pola zewnętrznego następuje rozrost do pojedynczej domeny tak, że zajmuje ona całą lub prawie całą objętość materiału (punkt 4). Kierunek domeny nie musi jednak w tym momencie odpowiadać kierunkowi przyłożonego pola, ponieważ anizotropia kryształu przytrzymuje domenę w kierunku łatwego magnesowania kryształu.

Jeśli jednak pole zewnętrzne zostanie jeszcze zwiększone, to nastąpi powolny obrót kierunku domeny do kierunku zgodnego z zewnętrznym polem (punkt 5). Powoduje to magnetyczne nasycenie i brak dalszego wzrostu polaryzacji magnetycznej w materiale. Całkowite nasycenie jest jednak bardzo trudne w praktyce i w przypadku próbek magnetycznych otwartych, np. obszary w pobliżu wierzchołków prostopadłościanu wymagają bardzo silnych pól celem ich całkowitego nasycenia. Przykładowo do blachy elektrotechnicznej punkt 2 na rysunku można osiągnąć poniżej 100 A/m, podczas gdy do całkowitego nasycenia magnetycznego należy użyć pól rzędu 50 000 A/m lub większych.

Przenikalność magnetyczna

Łatwość z jaką domeny magnetyczne zmieniają swoją objętość ma swoje odbicie w wartości przenikalności magnetycznej. Im większe domeny tym łatwiej namagnesować materiał w ich kierunku i tym większa jest przenikalność magnetyczna takiego materiału.

mały|Udoskonalenie struktury domenowej przez wprowadzenie lokalnych naprężeń mechanicznych

Straty mocy Przesuwanie się ścianek domenowych w materiale powoduje generowanie lokalnych prądów wirowych, a co za tym idzie rozpraszanie energii. Im szersze są domeny tym szybciej muszą się przesuwać ścianki domenowe, dlatego też w np. w blasze elektrotechnicznej dąży się do domen jak najdłuższych, ale też stosunkowo wąskich. Jeśli nie jest to możliwe przez zastosowanie odpowiedniej metalurgii i obróbki cieplnej to gotowy wyrób poddaje się dalszej specjalistycznej obróbce.

Jednym ze sposobów uzyskania pożądanej struktury domenowej jest dodanie odpowiedniej powłoki, która wprowadza naprężenia mechaniczne rozciągające w kierunku zgodnym z kierunkiem domen. Dalsze udoskonalenie struktury domenowej uzyskuje się poprzez wprowadzenie dodatkowych naprężeń mechanicznych w kierunku prostopadłym do kierunku domen. Efekt taki może zostać osiągnięty przy użyciu promienia lasera lub też bardziej konwencjonalnie poprzez rolowanie powierzchni materiału stalowymi kulami pod odpowiednim naciskiem. Uzyskuje się wówczas kilkukrotne zmniejszenie szerokości domen, znaczące zmniejszenie strat mocy i wzrost przenikalności, bez wyraźnego wpływu na inne parametryMarian Soiński, Materiały magnetyczne w technice, OSiW SEP, Warszawa, 2001, .

Koercja

Materiały magnetycznie twarde muszą być jak najmniej podatne na zmiany zewnętrznego pola magnetycznego. Dlatego też domeny magnetyczne muszą w takich materiałach być jak najbardziej stabilne. Uzyskuje się to przez "zakotwiczenie" ścianek domenowych na elementach odpowiednio ukształtowanej struktury polikrystalicznej.

Szumy Barkhausena

Ścianki domenowe nie przesuwają się w materiale płynnie i od czasu do czasu następuje ich lokalne "zakotwiczenie" – po dostarczeniu odpowiednio wysokiej energii (np. zewnętrzne pola magnetycznego lub zmiany naprężeń mechanicznych) następuje gwałtowne uwolnienie i szybki ruch ścianki. Ruchy takie indukują lokalne siły elektromotoryczne, które mogą zostać wykryte na zewnątrz objętości materiału. Ponieważ liczba możliwych miejsc "kotwiczących" wiąże się ściśle z ruchem ścianek, to szumy Barkhausena są używane jako metoda bezinwazyjnego testowania materiałów magnetycznych, np. stali konstrukcyjnej używanej na obudowy reaktorów jądrowych. W stali bombardowanej neutronami pojawiają się nowe dyslokacje krystaliczne, co zmienia charakterystykę szumów Barkhausena i pozwala na wykrycie niebezpiecznego poziomu zużycia stali. Podobnie można wykryć lokalne przegrzanie zmieniające strukturę krystaliczną, itd.

Magnetostrykcja

mały|Magnetostrykcja

Z uwagi na siły mechaniczne oddziałujące pomiędzy domenami w materiale powstają wewnętrzne naprężenia, które mogą zmieniać wymiary zewnętrzne materiału. Zmiany te są niewielkie w magnetykach miękkich poniżej Δl/l = 50·10-6, niemniej jednak są one głównym powodem charakterystycznego "buczenia" transformatorów.