Domínio magnético - Magnetic domain

Grãos microcristalinos dentro de um pedaço de Nd ₂ Fe ₁₄ B (a liga usada em ímãs de neodímio ) com domínios magnéticos tornados visíveis com um microscópio Kerr . Os domínios são as listras claras e escuras visíveis dentro de cada grão. O grão delineado tem seu eixo magnetocristalino quase vertical, então os domínios são vistos de ponta a ponta.

Um domínio magnético é uma região dentro de um material magnético em que a magnetização está em uma direção uniforme. Isso significa que os momentos magnéticos individuais dos átomos estão alinhados entre si e apontam na mesma direção. Quando resfriado abaixo de uma temperatura chamada temperatura de Curie , a magnetização de um pedaço de material ferromagnético se divide espontaneamente em muitas pequenas regiões chamadas domínios magnéticos. A magnetização dentro de cada domínio aponta em uma direção uniforme, mas a magnetização de diferentes domínios pode apontar em direções diferentes. A estrutura do domínio magnético é responsável pelo comportamento magnético de materiais ferromagnéticos comoferro , níquel , cobalto e suas ligas e materiais ferrimagnéticos como a ferrita . Isso inclui a formação de ímãs permanentes e a atração de materiais ferromagnéticos para um campo magnético. As regiões que separam os domínios magnéticos são chamadas de paredes de domínio , onde a magnetização gira coerentemente da direção em um domínio para a do próximo domínio. O estudo dos domínios magnéticos é denominado micromagnetics .

Os domínios magnéticos são formados em materiais que possuem ordenação magnética ; ou seja, seus dipolos se alinham espontaneamente devido à interação de troca . Estes são os materiais ferromagnéticos , ferrimagnéticos e antiferromagnéticos . Os materiais paramagnéticos e diamagnéticos , nos quais os dipolos se alinham em resposta a um campo externo, mas não se alinham espontaneamente, não têm domínios magnéticos.

Desenvolvimento da teoria do domínio

A teoria do domínio magnético foi desenvolvida pelo físico francês Pierre-Ernest Weiss que, em 1906, sugeriu a existência de domínios magnéticos em ferromagnetos. Ele sugeriu que um grande número de momentos magnéticos atômicos (tipicamente 10 ¹² -10 ¹⁸ ) foram alinhados paralelamente. A direção do alinhamento varia de domínio para domínio de forma mais ou menos aleatória, embora certos eixos cristalográficos possam ser preferidos pelos momentos magnéticos, chamados de eixos fáceis. Weiss ainda teve que explicar a razão do alinhamento espontâneo de momentos atômicos dentro de um material ferromagnético , e ele veio com o chamado campo médio de Weiss. Ele assumiu que um dado momento magnético em um material experimentou um campo magnético efetivo muito alto devido à magnetização de seus vizinhos. Na teoria original de Weiss, o campo médio era proporcional à magnetização em massa M , de modo que

${\ displaystyle H_ {e} = \ alpha \ M}$

onde é a constante média do campo. No entanto, isso não é aplicável a ferromagnetos devido à variação da magnetização de domínio para domínio. Neste caso, o campo de interação é ${\ displaystyle \ alpha \}$

${\ displaystyle H_ {e} = \ alpha \ M_ {s}}$

Onde está a magnetização de saturação em 0K. ${\ displaystyle M_ {s}}$

Posteriormente, a teoria quântica tornou possível entender a origem microscópica do campo de Weiss. A interação de troca entre spins localizados favoreceu um estado paralelo (em ferromagnetos) ou antiparalelo (em anti-ferromagnetos) de momentos magnéticos vizinhos

Estrutura de domínio

Como dividir um material ferromagnético em domínios magnéticos reduz a energia magnetostática

Por que os domínios se formam?

A razão pela qual um pedaço de material magnético como o ferro se divide espontaneamente em domínios separados, em vez de existir em um estado com magnetização na mesma direção em todo o material, é minimizar sua energia interna. Uma grande região de material ferromagnético com magnetização constante criará um grande campo magnético que se estende para o espaço externo (diagrama a, à direita) . Isso requer muita energia magnetostática armazenada no campo. Para reduzir essa energia, a amostra pode se dividir em dois domínios, com a magnetização em direções opostas em cada domínio (diagrama b à direita) . As linhas do campo magnético passam em loops em direções opostas através de cada domínio, reduzindo o campo fora do material. Para reduzir ainda mais a energia do campo, cada um desses domínios pode se dividir também, resultando em domínios paralelos menores com magnetização em direções alternadas, com menores quantidades de campo fora do material.

A estrutura de domínio dos materiais magnéticos reais geralmente não se forma pelo processo de divisão de grandes domínios em domínios menores, conforme descrito aqui. Quando uma amostra é resfriada abaixo da temperatura de Curie, por exemplo, a configuração do domínio de equilíbrio simplesmente aparece. Mas os domínios podem se dividir, e a descrição da divisão dos domínios costuma ser usada para revelar as compensações de energia na formação do domínio.

Tamanho dos domínios

Conforme explicado acima, um domínio muito grande é instável e se dividirá em domínios menores. Mas um domínio pequeno o suficiente será estável e não se dividirá, e isso determina o tamanho dos domínios criados em um material. Este tamanho depende do equilíbrio de várias energias dentro do material. Cada vez que uma região de magnetização se divide em dois domínios, ela cria uma parede de domínio entre os domínios, onde dipolos magnéticos (moléculas) com magnetização apontando em diferentes direções são adjacentes. A interação de troca que cria a magnetização é uma força que tende a alinhar dipolos próximos para que eles apontem na mesma direção. Forçar dipolos adjacentes a apontar em direções diferentes requer energia. Portanto, uma parede de domínio requer energia extra, chamada energia da parede de domínio , que é proporcional à área da parede.

Assim, a quantidade líquida em que a energia é reduzida quando um domínio se divide é igual à diferença entre a energia do campo magnético economizada e a energia adicional necessária para criar a parede do domínio. A energia do campo é proporcional ao cubo do tamanho do domínio, enquanto a energia da parede do domínio é proporcional ao quadrado do tamanho do domínio. Assim, à medida que os domínios ficam menores, a energia líquida economizada pela divisão diminui. Os domínios continuam se dividindo em domínios menores até que o custo de energia para criar uma parede de domínio adicional seja igual à energia do campo economizada. Então, os domínios desse tamanho são estáveis. Na maioria dos materiais, os domínios são microscópicos em tamanho, cerca de 10 ⁻⁴ - 10 ⁻⁶ m.

Anisotropia magnética

Micrografia de superfície de material ferromagnético, mostrando os grãos de cristal, cada um dividido em vários domínios paralelos ao seu eixo "fácil" de magnetização, com a magnetização em direções alternadas (áreas vermelhas e verdes) .

Animação mostrando como funciona a magnetostrição . Um campo magnético externo variável faz com que os dipolos magnéticos girem, alterando as dimensões da rede cristalina.

Uma maneira adicional de o material reduzir ainda mais sua energia magnetostática é formar domínios com magnetização em ângulos retos com os outros domínios (diagrama c, à direita) , em vez de apenas em direções paralelas opostas. Esses domínios, chamados de domínios de fechamento de fluxo , permitem que as linhas de campo girem 180 ° dentro do material, formando loops fechados inteiramente dentro do material, reduzindo a energia magnetostática a zero. No entanto, formar esses domínios incorre em dois custos adicionais de energia. Primeiro, a rede cristalina da maioria dos materiais magnéticos tem anisotropia magnética , o que significa que tem uma direção "fácil" de magnetização, paralela a um dos eixos do cristal. Mudar a magnetização do material para qualquer outra direção requer energia adicional, chamada de " energia de anisotropia magnetocristalina ".

Magnetostrição

O outro custo de energia para criar domínios com magnetização em um ângulo com a direção "fácil" é causado pelo fenômeno chamado magnetostrição . Quando a magnetização de uma peça de material magnético é alterada para uma direção diferente, ela causa uma ligeira mudança em sua forma. A mudança no campo magnético faz com que as moléculas do dipolo magnético mudem ligeiramente de forma, tornando a rede cristalina mais longa em uma dimensão e mais curta em outras dimensões. No entanto, uma vez que o domínio magnético é "comprimido" com seus limites mantidos rígidos pelo material circundante, ele não pode realmente mudar de forma. Então, em vez disso, mudar a direção da magnetização induz tensões mecânicas minúsculas no material, exigindo mais energia para criar o domínio. Isso é chamado de " energia de anisotropia magnetoelástica ".

Para formar esses domínios de fechamento com magnetização "lateral", é necessária energia adicional devido aos dois fatores mencionados acima. Assim, os domínios de fechamento de fluxo só se formarão onde a energia magnetostática salva é maior do que a soma da "energia de troca" para criar a parede do domínio, a energia da anisotropia magnetocristalina e a energia da anisotropia magnetoelástica. Portanto, a maior parte do volume do material é ocupada por domínios com magnetização "para cima" ou "para baixo" ao longo da direção "fácil", e os domínios de fechamento de fluxo só se formam em pequenas áreas nas bordas dos outros domínios onde estão necessário para fornecer um caminho para as linhas do campo magnético mudarem de direção (diagrama c, acima) .

Estrutura do grão

O texto acima descreve a estrutura do domínio magnético em uma rede de cristal perfeita, como seria encontrada em um único cristal de ferro. No entanto, a maioria dos materiais magnéticos são policristalinos , compostos de grãos cristalinos microscópicos. Esses grãos não são o mesmo que domínios. Cada grão é um pequeno cristal, com as redes cristalinas de grãos separados orientados em direções aleatórias. Na maioria dos materiais, cada grão é grande o suficiente para conter vários domínios. Cada cristal tem um eixo de magnetização "fácil" e é dividido em domínios com o eixo de magnetização paralelo a este eixo, em direções alternadas.

Estados "magnetizados"

Pode-se ver que, embora em uma escala microscópica quase todos os dipolos magnéticos em um pedaço de material ferromagnético estejam alinhados paralelamente aos seus vizinhos em domínios, criando fortes campos magnéticos locais , a minimização de energia resulta em uma estrutura de domínio que minimiza os grandes escala de campo magnético. Em seu estado de energia mais baixa, a magnetização de domínios vizinhos aponta em direções diferentes, confinando as linhas de campo a loops microscópicos entre domínios vizinhos dentro do material, de modo que os campos combinados se cancelam à distância. Portanto, um grande pedaço de material ferromagnético em seu estado de energia mais baixo tem pouco ou nenhum campo magnético externo. O material é considerado "não magnetizado".

No entanto, os domínios também podem existir em outras configurações nas quais sua magnetização aponta principalmente na mesma direção, criando um campo magnético externo. Embora essas não sejam configurações de energia mínima, devido a um fenômeno onde as paredes do domínio ficam "presas" a defeitos na rede cristalina, elas podem ser mínimos locais de energia e, portanto, podem ser muito estáveis. Aplicar um campo magnético externo ao material pode fazer com que as paredes do domínio se movam, fazendo com que os domínios alinhados com o campo cresçam e os domínios opostos diminuam. Quando o campo externo é removido, as paredes do domínio permanecem fixadas em sua nova orientação e os domínios alinhados produzem um campo magnético. É o que acontece quando um pedaço de material ferromagnético é "magnetizado" e se torna um ímã permanente .

Aquecer um ímã, submetendo-o a vibração martelando-o ou aplicando um campo magnético de oscilação rápida de uma bobina de desmagnetização , tende a puxar as paredes do domínio livres de seus estados fixos, e elas retornarão a uma configuração de energia mais baixa com menos campo magnético externo , assim " desmagnetizando " o material.

Equação de energia de Landau-Lifshitz

Movimento de domínio magnético dinâmico eletromagnético de aço silício elétrico de grão orientado

Paredes de domínio móveis em um grão de aço silício causado por um campo magnético externo crescente na direção "para baixo", observado em um microscópio Kerr. As áreas brancas são domínios com magnetização direcionada para cima, áreas escuras são domínios com magnetização direcionada para baixo.

As contribuições dos diferentes fatores de energia internos descritos acima são expressas pela equação de energia livre proposta por Lev Landau e Evgeny Lifshitz em 1935, que forma a base da teoria moderna dos domínios magnéticos. A estrutura de domínio de um material é aquela que minimiza a energia livre de Gibbs do material. Para um cristal de material magnético, esta é a energia livre de Landau-Lifshitz, E , que é a soma destes termos de energia:

${\ displaystyle E = E_ {ex} + E_ {D} + E _ {\ lambda} + E_ {k} + E_ {H} \,}$    

Onde

• E _ex é energia de troca : É a energia devida à interação de troca entre moléculas de dipolo magnético em materiais ferromagnéticos , ferrimagnéticos e antiferromagnéticos . É mais baixo quando os dipolos estão todos apontados na mesma direção, por isso é responsável pela magnetização de materiais magnéticos. Quando dois domínios com diferentes direções de magnetização estão próximos um do outro, na parede de domínio entre eles, dipolos magnéticos apontados em direções diferentes ficam próximos um do outro, aumentando essa energia. Esta troca de energia adicional é proporcional à área total das paredes do domínio.
• E _D é energia magnetostática : Esta é uma autoenergia, devido à interação do campo magnético criado pela magnetização em alguma parte da amostra em outras partes da mesma amostra. Depende do volume ocupado pelo campo magnético que se estende para fora do domínio. Esta energia é reduzida minimizando o comprimento dos loops das linhas do campo magnético fora do domínio. Por exemplo, isso tende a encorajar a magnetização a ser paralela às superfícies da amostra, para que as linhas de campo não passem para fora da amostra. Reduzir essa energia é a principal razão para a criação de domínios magnéticos.
• E _λ é a energia de anisotropia magnetoelástica : Esta energia é devida ao efeito da magnetostrição , uma ligeira mudança nas dimensões do cristal quando magnetizado. Isso causa tensões elásticas na rede, e a direção da magnetização que minimiza essas energias de deformação será favorecida. Essa energia tende a ser minimizada quando os eixos de magnetização dos domínios de um cristal são todos paralelos.
• E _k é a energia de anisotropia magnetocristalina : devido à sua anisotropia magnética , a rede cristalina é "fácil" de magnetizar em uma direção e "difícil" de magnetizar em outras. Essa energia é minimizada quando a magnetização está ao longo do eixo "fácil" do cristal, de modo que a magnetização da maioria dos domínios em um grão de cristal tende a ser em qualquer direção ao longo do eixo "fácil". Uma vez que a rede cristalina em grãos separados do material é geralmente orientada em direções aleatórias diferentes, isso faz com que a magnetização do domínio dominante em grãos diferentes seja apontada em direções diferentes.
• E _H é a energia Zeeman : Esta é a energia que é adicionada ou subtraída da energia magnetostática, devido à interação entre o material magnético e um campo magnético aplicado externamente. É proporcional ao negativo do cosseno do ângulo entre os vetores de campo e magnetização. Domínios com seu campo magnético orientado paralelamente ao campo aplicado reduzem esta energia, enquanto domínios com seu campo magnético orientado oposto ao campo aplicado aumentam esta energia. Assim, a aplicação de um campo magnético a um material ferromagnético geralmente faz com que as paredes do domínio se movam de modo a aumentar o tamanho dos domínios que ficam principalmente paralelos ao campo, ao custo de diminuir o tamanho dos domínios que se opõem ao campo. É o que acontece quando os materiais ferromagnéticos são "magnetizados". Com um campo externo forte o suficiente, os domínios opostos ao campo serão engolidos e desaparecerão; isso é chamado de saturação .

Algumas fontes definem uma energia de parede E _W igual à soma da energia de troca e da energia de anisotropia magnetocristalina, que substitui E _ex e E _k na equação acima.

Uma estrutura de domínio estável é uma função de magnetização M ( x ), considerada como um campo vetorial contínuo , que minimiza a energia total E em todo o material. Para encontrar os mínimos, um método variacional é usado, resultando em um conjunto de equações diferenciais não lineares , chamadas de equações de Brown em homenagem a William Fuller Brown Jr. Embora, em princípio, essas equações possam ser resolvidas para as configurações de domínio estável M ( x ), na prática apenas o os exemplos mais simples podem ser resolvidos. Não existem soluções analíticas e as soluções numéricas calculadas pelo método dos elementos finitos são computacionalmente intratáveis ​​devido à grande diferença de escala entre o tamanho do domínio e o tamanho da parede. Portanto, o micromagnetismo desenvolveu métodos aproximados que assumem que a magnetização de dipolos na maior parte do domínio, longe da parede, todos apontam na mesma direção, e soluções numéricas são usadas apenas perto da parede do domínio, onde a magnetização está mudando rapidamente .

Rotação de orientação e aumento no tamanho dos domínios magnéticos em resposta a um campo aplicado externamente.

Técnicas de imagem de domínio

Existem vários métodos de microscopia que podem ser usados ​​para visualizar a magnetização na superfície de um material magnético, revelando os domínios magnéticos. Cada método tem um aplicativo diferente porque nem todos os domínios são iguais. Em materiais magnéticos, os domínios podem ser circulares, quadrados, irregulares, alongados e listrados, todos com tamanhos e dimensões variados.

Efeito magneto-óptico Kerr (MOKE)

Grandes domínios, na faixa de 25-100 micrômetros, podem ser facilmente vistos pela microscopia Kerr , que usa o efeito magneto-óptico Kerr , que é a rotação da polarização da luz refletida de uma superfície magnetizada.

Microscopia de Lorentz

A microscopia de Lorentz é uma técnica de microscopia eletrônica de transmissão usada para estudar estruturas de domínio magnético em resolução muito alta. A holografia de elétrons fora do eixo é uma técnica relacionada usada para observar estruturas magnéticas por meio da detecção de campos magnéticos em nanoescala.

Microscopia de força magnética (MFM)

Outra técnica para visualizar estruturas de domínio submicroscópicas em uma escala de alguns nanômetros é a microscopia de força magnética . MFM é uma forma de microscopia de força atômica que usa uma ponta de sonda revestida magneticamente para escanear a superfície da amostra.

Método amargo

Os padrões de amargor são uma técnica para imagens de domínios magnéticos que foram observados pela primeira vez por Francis Bitter . A técnica envolve a colocação de uma pequena quantidade de ferrofluido na superfície de um material ferromagnético. O ferrofluido se organiza ao longo das paredes do domínio magnético , que possuem um fluxo magnético maior do que as regiões do material localizadas dentro dos domínios. Uma técnica Bitter modificada foi incorporada a um dispositivo amplamente utilizado, o Large Area Domain Viewer, que é particularmente útil no exame de aços siliciosos com orientação de grãos .

Imagens magneto-ópticas de diferentes estruturas de domínio

Estrutura de domínio de uma liga com memória de forma (gravada usando CMOS-MagView)

Estrutura de domínio de um domínio meandro exemplar (registrado usando CMOS-MagView)

Estrutura de domínio de um domínio de bolha magnética exemplar (registrado usando CMOS-MagView)

Veja também

Referências

• Jiles, David (1998). Introdução ao magnetismo e materiais magnéticos . Londres: Chapman & Hall. ISBN 0-412-79860-3.

links externos

• Magnetismus und Magnetooptik um texto alemão sobre magnetismo e magneto-óptica