[科普中國]-磁疇

磁疇（Magnetic Domain），理論是用量子理論從微觀上說明鐵磁質(zhì)的磁化機理。所謂磁疇，是指鐵磁體材料在自發(fā)磁化的過程中為降低靜磁能而產(chǎn)生分化的方向各異的小型磁化區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)部包含大量原子，這些原子的磁矩都像一個個小磁鐵那樣整齊排列，但相鄰的不同區(qū)域之間原子磁矩排列的方向不同，如圖所示。各個磁疇之間的交界面稱為磁疇壁。宏觀物體一般總是具有很多磁疇，這樣，磁疇的磁矩方向各不相同，結(jié)果相互抵消，矢量和為零，整個物體的磁矩為零，它也就不能吸引其它磁性材料。也就是說磁性材料在正常情況下并不對外顯示磁性。只有當磁性材料被磁化以后，它才能對外顯示出磁性。

簡介分子或原子是構(gòu)成物質(zhì)材料的基元，基元中電子繞著原子核的運轉(zhuǎn)形成了電流，該電流產(chǎn)生的磁場，使每個基元都相當于一個微小的磁體，由大量基元組成一個集團結(jié)構(gòu)，集團中所有基元產(chǎn)生的磁場都同方向整齊排列，這樣的集團叫做磁疇。在居里溫度以下，在大塊鐵磁性或亞鐵磁性（見鐵氧體）單晶體（或多 晶體中的晶粒）中，形成很多小區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)的原子磁矩沿特定的方向排列，呈現(xiàn)均勻的自發(fā)磁化。但是在不同的區(qū)域內(nèi)，磁矩的方向不同，使得晶體總的磁化強度為零。這種自發(fā)磁化的小區(qū)域也稱為磁疇。

圖為用粉紋法在Si-Fe單晶的（001）面上觀察到的磁疇結(jié)構(gòu)，磁化方向已用箭頭表示出。

在鐵磁性物質(zhì)內(nèi)部，由于原子的磁矩不等于零，每一個原子的表現(xiàn)就好似微小的永久磁鐵。假設聚集于一個小區(qū)域的原子，其磁矩都均勻地同向平行排列，則稱這小區(qū)域為磁疇或外斯疇（Weiss domain）。使用磁力顯微鏡（magnetic force microscope），可以觀測到磁疇。

磁疇的種類分為：a）單獨磁疇。b）兩個異向磁疇。c）多個磁疇，最小能量態(tài)。磁疇所生成的磁場以帶箭頭細曲線表示。磁化強度以帶箭頭粗直線表示。

三種鐵磁性物質(zhì)：純鐵、硅鐵和鈷，磁疇結(jié)構(gòu)如圖。純鐵（圖a）的磁疇結(jié)構(gòu)為迷宮形狀，硅鐵（圖b）則是針葉形狀，鈷（圖c）的磁疇結(jié)構(gòu)與純鐵和硅鐵都不相同。

磁疇的形狀、尺寸、磁疇壁的厚度由交換能、退磁場能、磁晶各向異性能及磁彈性能來決定。平衡狀態(tài)的磁疇結(jié)構(gòu)，應具有最小的能量。1

原理簡析在鐵磁質(zhì)中相鄰電子之間存在著一種很強的“交換耦合”作用，在無外磁場的情況下，它們的自旋磁矩能在一個個微小區(qū)域內(nèi)“自發(fā)地”整齊排列起來而形成自發(fā)磁化小區(qū)域，稱為磁疇。在未經(jīng)磁化的鐵磁質(zhì)中，雖然每一磁疇內(nèi)部都有確定的自發(fā)磁化方向，有很大的磁性，但大量磁疇的磁化方向各不相同因而整個鐵磁質(zhì)不顯磁性。如圖所示。

磁疇的存在是能量極小化的后果。這是物理學家列夫·朗道和葉津·李佛西茲（Evgeny Lifshitz）提出的點子。假設一個鐵磁性長方體是單獨磁疇（圖a），則會有很多正磁荷與負磁荷分別形成于長方塊的頂面與底面，從而擁有較強烈的磁能。假設鐵磁性長方塊分為兩個磁疇（圖b），其中一個磁疇的磁矩朝上，另一個朝下，則會有正磁荷與負磁荷分別形成于頂面的左右邊，又有負磁荷與正磁荷相反地分別形成于底面的左右邊，所以，磁能較微弱，大約為圖a的一半。假設鐵磁性長方塊是由多個磁疇組成，如圖c所示，則由于磁荷不會形成于頂面與底面，只會形成于斜虛界面，所有的磁場都包含于長方塊內(nèi)部，磁能更微弱。這種組態(tài)稱為“閉磁疇”（closure domain），是最小能量態(tài)。

當鐵磁質(zhì)處于外磁場中時，那些自發(fā)磁化方向和外磁場方向成小角度的磁疇其體積隨著外加磁場的增大而擴大并使磁疇的磁化方向進一步轉(zhuǎn)向外磁場方向。另一些自發(fā)磁化方向和外磁場方向成大角度的磁疇其體積則逐漸縮小，這時鐵磁質(zhì)對外呈現(xiàn)宏觀磁性。當外磁場增大時，上述效應相應增大，直到所有磁疇都沿外磁場排列達到飽和。由于在每個磁疇中個單元磁矩已排列整齊，因此具有很強的宏觀磁性。1

磁疇性質(zhì)在居里溫度以下，鐵磁或亞鐵磁材料內(nèi)部存在很多具有各自的自發(fā)磁矩且磁矩成對的小區(qū)域。這些小區(qū)域排列的方向紊亂，宏觀上這些小區(qū)域的集合體在外界表現(xiàn)出整體磁矩為零，不顯磁性的現(xiàn)象。這些小區(qū)域即稱為磁疇。磁疇之間的界面稱為磁疇壁（magnetic domain wall）。當有外磁場作用時，磁疇內(nèi)一些磁矩轉(zhuǎn)向外磁場方向，使得與外磁場方向接近一致的總磁矩得到增加，這類磁疇得到成長，而其他磁疇變小，結(jié)果是磁化強度增高。隨著外磁場強度的進一步增高，磁化強度增大，但即使磁疇內(nèi)的磁矩取向一致，成了單一磁疇區(qū)，其磁化方向與外磁場方向也不完全一致。只有當外磁場強度增加到一定程度時，所有磁疇中磁矩的磁化方向才能全部與外磁場方向取向完全一致。此時，鐵磁體就達到磁飽和狀態(tài)，即成飽和磁化。一旦達到飽和磁化后，即使磁場減小到零，磁矩也不會回到零，殘留下一些磁化效應。這種殘留磁化值稱為殘余磁感應強度（以符號Br表示）。飽和磁化值稱為飽和磁感應強度（Bs）。若加上反向磁場，使剩余磁感應強度回到零，則此時的磁場強度稱為矯頑磁場強度或矯頑力（Hc）。

從物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)觀點來看，鐵磁質(zhì)內(nèi)電子間因自旋引起的相互作用是非常強烈的，在這種作用下，鐵磁質(zhì)內(nèi)部形成了一些微小的自發(fā)磁化區(qū)域，叫做磁疇。每一個磁疇中，各個電子的自旋磁矩排列的很整齊，因此它具有很強的磁性。磁疇的體積約為10-12m3～10-9m3，內(nèi)含約1017～1020 個原子。在沒有外磁場時，鐵磁質(zhì)內(nèi)各個磁疇的排列方向是無序的，所以鐵磁質(zhì)對外不顯磁性。當鐵磁質(zhì)處于外磁場中時，各個磁疇的磁矩在外磁場的作用下都趨向于沿外磁場中的磁化程度非常大，它所建立的附加磁場強度B'比外磁場的磁場強度B在數(shù)值上一般要大幾十倍到數(shù)千倍，甚至達數(shù)萬倍。2

磁疇結(jié)構(gòu)及磁疇壁的移動相鄰磁疇的界限稱為磁疇壁，磁疇壁是一個過渡區(qū)，具有一定的厚度。磁疇的磁化方向在疇壁處不能突然轉(zhuǎn)一個很大的角度（主要有180°和90°兩種），而是經(jīng)過疇壁一定厚度逐步轉(zhuǎn)過去的，即在這個過渡區(qū)中原子磁矩是逐步改變方向的。疇壁內(nèi)部的能量總比疇內(nèi)的能量高，壁的厚薄和面積大小都使它具有一定能量。

磁疇的形狀尺寸.疇壁的類型與厚度總稱為磁疇結(jié)構(gòu)。同一磁性材料，如果磁疇結(jié)構(gòu)不同，則其磁化行為也不同，所以磁疇結(jié)構(gòu)不同是鐵磁性物質(zhì)磁性千差萬別的原因之一。磁疇結(jié)構(gòu)受到交換能、各向異性能、磁彈性能、磁疇壁能、退磁能的影響。平衡狀態(tài)時的疇結(jié)構(gòu)，這些能量之和應具有最小值。

根據(jù)自發(fā)磁化理論，在冷卻到居里點以下而不受外磁場作用的鐵磁晶體中，由于交換作用使得整個晶體自發(fā)磁化達到飽和，顯然，磁化方向應該沿著晶體的易軸，因為這樣交換能和磁晶能才都處于最小值。但因為晶體有一定的大小與形狀，整個晶體均勻磁化的結(jié)果必然產(chǎn)生磁極，磁極的退磁場卻給系統(tǒng)增加了一部分退磁能。對于“單疇”從能量觀點，把磁體分為n個區(qū)域時。退磁能降為原來的1/n，減少退磁能是分疇的基本動力。但由于兩個相鄰磁疇間存在疇壁，又需要增加一定的疇壁能，因此自發(fā)磁化區(qū)域的劃分不能無限小，而是以疇壁能及退磁能相加等于極值為條件。為了降低能量.晶體邊緣表面附近為封閉磁疇，它們使得退磁能降為零。一個系統(tǒng)從高磁能的飽和組態(tài)變?yōu)榈痛拍艿姆之牻M態(tài)，從而導致系統(tǒng)能量降低的可能性是形成磁疇結(jié)構(gòu)的原因。

對于多晶體來說晶界，第二相.晶體缺陷、夾雜，應力、成分的不均勻性等對疇結(jié)構(gòu)有顯著的影響。每一個晶粒會包含許多疇，在一個磁疇內(nèi)，磁化強度一般都沿著晶體的易磁化方向。對于非織構(gòu)的多晶體，各晶粒的取向是不同的，因此在不同晶粒內(nèi)部磁疇的取向是不同的。為了減少退磁場能，在夾雜物附近會出現(xiàn)附加疇。在平衡狀態(tài)時，疇壁一般都跨越夾雜物。3

溫度影響從實驗中我們得知，鐵磁質(zhì)的磁化和溫度有關。隨著溫度的升高，它的磁化能力逐漸減小，當溫度升高到某一溫度時，鐵磁性就完全消失，鐵磁質(zhì)退化成順磁質(zhì)。這個溫度叫做居里溫度或叫居里點。這是因為鐵磁質(zhì)中自發(fā)磁化區(qū)域因劇烈的分子熱運動而遭到破壞，磁疇也就瓦解了，鐵磁質(zhì)的鐵磁性消失，過渡到順磁質(zhì)，從實驗知道，鐵的居里溫度是1043K，78%坡莫合金的居里溫度是873K，45%坡莫合金的居里溫度是673K。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

胡建平 - 副教授 - 西北工業(yè)大學