HOME
Opisy
Doświadczenia
Linki
Słownik
English Version

Podstawy fizyki domen magnetycznych i procesów magnesowania

Domeny magnetyczne są mikroobszarami (o rozmiarach zwykle rzędu mikrometrów), w których namagnesowanie jest jednorodne (zarówno ze względu na kierunek jak i amplitudę). Rozważmy warstwę magnetyka, w której wektor magnetyzacji ustawia się tylko wzdłuż osi prostopadłej do powierzchni próbki. W takim przypadku najczęściej analizuje się model paskowej struktury domenowej schematycznie przedstawiony na rys. F1. Pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego H zwiększą się objętość domen, w których orientacja wektora magnetyzacji M jest zgodna z polem H. W dalszym opisie będzie wykorzystywany parametr zredukowanej magnetyzacji m, który można zdefiniować na podstawie rozmiarów struktury domenowej m(H)=(d+(H)-d-(H))/(d+(H)+d-(H)).

a) H=0 b) H>0 c) H <0

Rysunek F1 Model paskowej struktury domenowej w polu magnetycznym.

Do badania procesów magnesowania oraz do wizualizacji struktury domenowej wykorzystuje się efekt Faradaya (Rys. F2) - płaszczyzna liniowo spolaryzowanego światła, po przejściu przez magnetyk, ulega skręceniu o kąt +fi lub -fi w zależności od tego czy zwrot wektora magnetyzacji jest zgodny czy przeciwny do kierunku propagacji światła. Zgodnie z prawem Malusa natężenie światła po przejściu przez domenę jest proporcjonalne do:

Cos2(alpha +/- fi )

gdzie alpha jest kątem pomiędzy płaszczyznami głównymi. Odpowiednio obracając jednym z polaryzatorów można więc wygasić światło przechodzące przez domeny o określonym zwrocie wektora magnetyzacji co przedstawiono na rysunku F2. Okrągłe wstawki na tym rysunku ilustrują rzeczywiste obrazy struktur domenowych zarejestrowanych kamerą CCD przy różnych położeniach analizatora.

A B

Rysunek F2 Wizualizacja struktury domenowej przy wykorzystaniu efektu Faradaya. Rysunki A i B odpowiadają dwóm położeniom analizatora - polaryzatora . (Animacja wizualizacji domen magnetycznych )

Często światło przechodzące przez obszar próbki zawierający wiele domen skupiane jest na pojedynczym detektorze wówczas sygnał S(H) na nim rejestrowany można powiązać z magnetyzacją próbki m wzorem:

S(H)=a + b*m(H)

Współczynniki a i b zależą od wartości kątów alpha i fi. Pomiar sygnału S, przy różnej wartości zewnętrznego pola magnetycznego H przykładanego do próbki pozwala więc na określenie krzywej magnesowania próbki m(H)

Nasz dostępny poprzez Internet , układ pomiarowy wyposażony jest w detektor oraz kamerę CCD (zawierającą siatkę detektorów). Układ ten umożliwia więc Internaucie pomiar zarówno krzywej namagnesowania m(H) jak i rejestrację obrazów struktur domenowych dla wybranych wartości pola magnetycznego. Rysunek F3 ilustruje proces namagnesowania cienkiej warstwy magnetycznej zarejestrowany z wykorzystaniem kamery CCD i pojedyńczego detektora światła. Z jego analizy widać, że zwiększając amplitudę pola magnetycznego H zwiększa się objętoć domen z wektorem magnetyzacji o zwrocie zgodnym ze zwrotem H, zwiększa się wartoć m. Próbka przechodzi w stan monodomenowy gdy |H|>Hs - pola nasycenia. Zmniejszając pole od wartoci |H|>Hs pojawiają się domeny z magnetyzacją o zwrocie przeciwnym do H w polu Hn (Hn często nazywa się polem nukleacji). Wartoć Hn jest mniejsza od Hs. Oberwujemy zjawisko histerezy magnetycznej. Do dowiadczenia internetowego wybrano próbkę - warstwę granatu, w której efekt histerezy w niewielkich polach (niewielkich w porównaniu z Hn i Hs) można pominąć.

Rysunek F3 Przykładowa krzywa histerezy i obrazy struktur domenowych zarejestrowane z wykorzystaniem naszego układu pomiarowego (animacja procesu przemagnesowania). Do bardziej szczegółowej analizy wybrano prostokąt o wymiarach 20x10 mikrometrów.

Z domenami magnetycznymi poza ciekawą fizyką można wiązać także bardzo popularne zastosowanie w postaci masowych pamięci magnetycznych tak często wykorzystywanych teraz w technologiach cyfrowych (komputery) czy przy badaniach geomagnetycznych ziemi (pamięć -historia magnetyczna ziemi).

Dodatkowe materiały można znaleźć:


Laboratory of Magnetism, Faculty of Physics, University of Białystok
Białystok Branch Polish Physical Society,
Ciołkowskiego 1L, 15-245 Białystok 15-424, Poland, E-mail: dobrog@uwb.edu.pl WWW: http://labfiz.uwb.edu.pl/exp/domeny01/
Last modification: October 17, 2019