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dominio magnético

Granos microcristalinos dentro de una pieza de Nd₂Fe₁₄B (la aleación utilizada en los imanes de neodimio ) con dominios magnéticos visibles mediante un microscopio Kerr . Los do...

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Granos microcristalinos dentro de una pieza de Nd₂Fe₁₄B (la aleación utilizada en los imanes de neodimio ) con dominios magnéticos visibles mediante un microscopio Kerr . Los dominios son las franjas claras y oscuras visibles dentro de los numerosos granos que se muestran aquí. El grano resaltado tiene su eje magnetocristalino casi vertical, por lo que los dominios se observan de frente.

Un dominio magnético es una región dentro de un material magnético en la que la magnetización tiene una dirección uniforme. Esto significa que los momentos magnéticos individuales de los átomos están alineados entre sí y apuntan en la misma dirección. Cuando se enfría por debajo de una temperatura llamada temperatura de Curie , la magnetización de un trozo de material ferromagnético se divide espontáneamente en muchas regiones pequeñas llamadas dominios magnéticos. La magnetización dentro de cada dominio apunta en una dirección uniforme, pero la magnetización de diferentes dominios puede apuntar en direcciones diferentes. La estructura de dominios magnéticos es responsable del comportamiento magnético de materiales ferromagnéticos como el aluminio , el hierro , el cobalto , el níquel , el cobre , la plata , el oro y sus aleaciones , y de materiales ferrimagnéticos como la ferrita . Esto incluye la formación de imanes permanentes y la atracción de materiales ferromagnéticos hacia un campo magnético. Las regiones que separan los dominios magnéticos se llaman paredes de dominio , donde la magnetización rota coherentemente desde la dirección de un dominio a la del dominio contiguo. El estudio de los dominios magnéticos se llama micromagnetismo .

Los dominios magnéticos se forman en materiales con ordenamiento magnético ; es decir, sus dipolos se alinean espontáneamente debido a la interacción de intercambio . Estos son los materiales ferromagnéticos , ferrimagnéticos y antiferromagnéticos . Los materiales paramagnéticos y diamagnéticos , en los que los dipolos se alinean en respuesta a un campo externo pero no de forma espontánea, no presentan dominios magnéticos.

Desarrollo de la teoría de dominios

La teoría de dominios magnéticos fue desarrollada por el físico francés Pierre-Ernest Weiss [ 1 ] , quien, en 1906, sugirió la existencia de dominios magnéticos en ferromagnetos. [ 2 ] Sugirió que un gran número de momentos magnéticos atómicos (típicamente 10¹² - 10¹⁸ ) estaban alineados en paralelo. La dirección de alineación varía de un dominio a otro de manera más o menos aleatoria, aunque ciertos ejes cristalográficos pueden ser preferidos por los momentos magnéticos, llamados ejes fáciles. Weiss aún tenía que explicar la razón de la alineación espontánea de los momentos atómicos dentro de un material ferromagnético , y propuso el llamado campo medio de Weiss. Supuso que un momento magnético dado en un material experimentaba un campo magnético efectivo muy alto He debido a la magnetización de sus vecinos. En la teoría original de Weiss , el campo medio era proporcional a la magnetización global M , de modo queHmi=αMETRO{\displaystyle H_{e}=\alpha M}dóndeα{\displaystyle \alpha }es la constante de campo medio. Sin embargo, esto no es aplicable a los ferromagnetos debido a la variación de la magnetización de dominio a dominio. En este caso, el campo de interacción es

Hmi=αMETROs,{\displaystyle H_{e}=\alpha M_{s},}

dóndeMETROs{\displaystyle M_{s}}es la magnetización de saturación a 0 K.

Posteriormente, la teoría cuántica permitió comprender el origen microscópico del campo de Weiss. La interacción de intercambio entre espines localizados favoreció un estado paralelo (en ferromagnetos) o antiparalelo (en antiferromagnetos) de momentos magnéticos vecinos.

Estructura de dominio

Cómo la división de un material ferromagnético en dominios magnéticos reduce la energía magnetostática

¿Por qué se forman los dominios?

La razón por la que un trozo de material magnético como el hierro se divide espontáneamente en dominios separados, en lugar de existir en un estado con magnetización en la misma dirección en todo el material, es para minimizar su energía interna. [ 3 ] Una gran región de material ferromagnético con una magnetización constante en toda su extensión creará un gran campo magnético que se extiende hacia el espacio exterior (diagrama a) . Esto requiere mucha energía magnetostática almacenada en el campo. Para reducir esta energía, la muestra puede dividirse en dos dominios, con la magnetización en direcciones opuestas en cada dominio (diagrama b) . Las líneas de campo magnético pasan en bucles en direcciones opuestas a través de cada dominio, reduciendo el campo fuera del material. Para reducir aún más la energía del campo, cada uno de estos dominios también puede dividirse, dando como resultado dominios paralelos más pequeños con magnetización en direcciones alternas, con cantidades menores de campo fuera del material.

La estructura de dominios de los materiales magnéticos reales no suele formarse mediante la división de dominios grandes en otros más pequeños, como se describe aquí. Por ejemplo, cuando una muestra se enfría por debajo de la temperatura de Curie, simplemente aparece la configuración de dominios de equilibrio. Sin embargo, los dominios pueden dividirse, y la descripción de esta división se utiliza a menudo para revelar las compensaciones energéticas en la formación de dominios.

Tamaño de los dominios

Como se explicó anteriormente, un dominio demasiado grande es inestable y se dividirá en dominios más pequeños. Pero un dominio suficientemente pequeño será estable y no se dividirá, y esto determina el tamaño de los dominios creados en un material. Este tamaño depende del equilibrio de varias energías dentro del material. [ 3 ] Cada vez que una región de magnetización se divide en dos dominios, crea una pared de dominio entre los dominios, donde los dipolos magnéticos (moléculas) con magnetización apuntando en diferentes direcciones son adyacentes. La interacción de intercambio que crea la magnetización es una fuerza que tiende a alinear los dipolos cercanos para que apunten en la misma dirección. Forzar a los dipolos adyacentes a apuntar en diferentes direcciones requiere energía. Por lo tanto, una pared de dominio requiere energía adicional, llamada energía de pared de dominio , que es proporcional al área de la pared.

Por lo tanto, la cantidad neta de energía que se reduce cuando un dominio se divide es igual a la diferencia entre la energía del campo magnético ahorrada y la energía adicional necesaria para crear la pared del dominio. La energía del campo es proporcional al cubo del tamaño del dominio, mientras que la energía de la pared del dominio es proporcional al cuadrado del tamaño del dominio. Así, a medida que los dominios se hacen más pequeños, la energía neta ahorrada por la división disminuye. Los dominios continúan dividiéndose en dominios más pequeños hasta que el costo energético de crear una pared de dominio adicional sea igual a la energía del campo ahorrada. Entonces, los dominios de este tamaño son estables. En la mayoría de los materiales, los dominios son de tamaño microscópico, alrededor de 10⁻⁴ - 10⁻⁶ m . [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]

anisotropía magnética

Micrografía de la superficie de un material ferromagnético, que muestra los granos cristalinos, cada uno dividido en varios dominios paralelos a su eje de magnetización "fácil", con la magnetización en direcciones alternas (áreas rojas y verdes) .
Animación que muestra cómo funciona la magnetostricción . Un campo magnético externo variable provoca la rotación de los dipolos magnéticos, modificando así las dimensiones de la red cristalina.

Una forma adicional para que el material reduzca aún más su energía magnetostática es formar dominios con magnetización en ángulo recto con respecto a los otros dominios (diagrama c) , en lugar de solo en direcciones paralelas opuestas. [ 3 ] Estos dominios, llamados dominios de cierre de flujo , permiten que las líneas de campo giren 180° dentro del material, formando bucles cerrados completamente dentro del material, reduciendo la energía magnetostática a cero. Sin embargo, la formación de estos dominios conlleva dos costos de energía adicionales. Primero, la red cristalina de la mayoría de los materiales magnéticos tiene anisotropía magnética , lo que significa que tiene una dirección de magnetización "fácil", paralela a uno de los ejes cristalinos. Cambiar la magnetización del material a cualquier otra dirección requiere energía adicional, llamada " energía de anisotropía magnetocristalina ".

magnetostricción

El otro coste energético para crear dominios con magnetización en un ángulo respecto a la dirección "fácil" se debe al fenómeno denominado magnetostricción . [ 3 ] Cuando la magnetización de un material magnético cambia de dirección, se produce una ligera modificación en su forma. El cambio en el campo magnético provoca que las moléculas dipolares magnéticas cambien ligeramente de forma, alargando la red cristalina en una dimensión y acortándola en otras. Sin embargo, dado que el dominio magnético está "comprimido" y sus límites se mantienen rígidos por el material circundante, no puede cambiar de forma. Por lo tanto, el cambio de dirección de la magnetización induce pequeñas tensiones mecánicas en el material, lo que requiere más energía para crear el dominio. Esto se denomina " energía de anisotropía magnetoelástica ".

Para formar estos dominios de cierre con magnetización "lateral" se requiere energía adicional debido a los dos factores mencionados. Por lo tanto, los dominios de cierre de flujo solo se formarán donde la energía magnetostática ahorrada sea mayor que la suma de la "energía de intercambio" para crear la pared de dominio, la energía de anisotropía magnetocristalina y la energía de anisotropía magnetoelástica. Por consiguiente, la mayor parte del volumen del material está ocupada por dominios con magnetización "hacia arriba" o "hacia abajo" a lo largo de la dirección "fácil", y los dominios de cierre de flujo solo se forman en pequeñas áreas en los bordes de los otros dominios donde son necesarios para proporcionar una vía para que las líneas de campo magnético cambien de dirección (diagrama c, arriba) .

Estructura de grano

Lo anterior describe la estructura de dominios magnéticos en una red cristalina perfecta, como la que se encuentra en un monocristal de hierro. Sin embargo, la mayoría de los materiales magnéticos son policristalinos , compuestos por granos cristalinos microscópicos. Estos granos no son lo mismo que los dominios. Cada grano es un pequeño cristal, con las redes cristalinas de los granos individuales orientadas en direcciones aleatorias. En la mayoría de los materiales, cada grano es lo suficientemente grande como para contener varios dominios. Cada cristal tiene un eje de magnetización "fácil" y se divide en dominios con el eje de magnetización paralelo a este eje, en direcciones alternas.

Estados "magnetizados"

Como se desprende de lo anterior, si bien a escala microscópica casi todos los dipolos magnéticos de un material ferromagnético se alinean paralelamente a sus vecinos en dominios, generando fuertes campos magnéticos locales , la minimización de la energía da como resultado una estructura de dominios que minimiza el campo magnético a gran escala . En su estado de menor energía, la magnetización de los dominios vecinos apunta en direcciones diferentes, confinando las líneas de campo a bucles microscópicos entre dominios vecinos dentro del material, de modo que los campos combinados se cancelan a cierta distancia. Por lo tanto, un material ferromagnético en su estado de menor energía presenta un campo magnético externo mínimo o nulo. Se dice que el material está "desmagnetizado".

Sin embargo, los dominios también pueden existir en otras configuraciones en las que su magnetización apunta mayoritariamente en la misma dirección, creando un campo magnético externo. Aunque estas no son configuraciones de energía mínima, debido a un fenómeno en el que las paredes de dominio se "anclan" a defectos en la red cristalina, pueden ser mínimos locales de energía y, por lo tanto, muy estables. La aplicación de un campo magnético externo al material puede hacer que las paredes de dominio se muevan, provocando que los dominios alineados con el campo crezcan y los opuestos se contraigan. Cuando se retira el campo externo, las paredes de dominio permanecen ancladas en su nueva orientación y los dominios alineados producen un campo magnético. Esto es lo que sucede cuando un trozo de material ferromagnético se "magnetiza" y se convierte en un imán permanente .

Calentar un imán, someterlo a vibraciones golpeándolo con un martillo o aplicarle un campo magnético que oscila rápidamente procedente de una bobina desmagnetizadora , tiende a liberar las paredes de dominio de sus estados anclados, y estas volverán a una configuración de menor energía con un campo magnético externo menor, " desmagnetizando " así el material.

ecuación de energía de Landau-Lifshitz

Movimiento dinámico electromagnético de dominios magnéticos de acero al silicio eléctrico con orientación de grano
El desplazamiento de las paredes de dominio en un grano de acero al silicio, provocado por un campo magnético externo creciente en dirección descendente, se observa con un microscopio Kerr . Las áreas blancas corresponden a dominios con magnetización hacia arriba, mientras que las áreas oscuras corresponden a dominios con magnetización hacia abajo.

Las contribuciones de los diferentes factores de energía interna descritos anteriormente se expresan mediante la ecuación de energía libre propuesta por Lev Landau y Evgeny Lifshitz en 1935, [ 7 ] que constituye la base de la teoría moderna de los dominios magnéticos. La estructura de dominios de un material es aquella que minimiza la energía libre de Gibbs del material. Para un cristal de material magnético, esta es la energía libre de Landau-Lifshitz, E , que es la suma de estos términos de energía: [ 8 ]

mi=mimiincógnita+miD+miλ+mik+miH{\displaystyle E=E_{ex}+E_{D}+E_{\lambda }+E_{k}+E_{H}\,}    

dónde

  • E ex es la energía de intercambio : Esta es la energía debida a la interacción de intercambio entre moléculas dipolares magnéticas en materiales ferromagnéticos , ferrimagnéticos y antiferromagnéticos . Es mínima cuando todos los dipolos apuntan en la misma dirección, por lo que es responsable de la magnetización de los materiales magnéticos. Cuando dos dominios con direcciones de magnetización diferentes están uno al lado del otro, en la pared de dominio entre ellos, los dipolos magnéticos que apuntan en direcciones diferentes se encuentran uno al lado del otro, aumentando esta energía. Esta energía de intercambio adicional es proporcional al área total de las paredes de dominio.
  • La energía magnetostática ( ED ) es una autoenergía debida a la interacción del campo magnético generado por la magnetización en una parte de la muestra con otras partes de la misma. Depende del volumen ocupado por el campo magnético que se extiende fuera del dominio. Esta energía se reduce al minimizar la longitud de los bucles de líneas de campo magnético fuera del dominio. Por ejemplo, esto tiende a favorecer que la magnetización sea paralela a las superficies de la muestra, de modo que las líneas de campo no la atraviesen. La reducción de esta energía es la razón principal de la creación de dominios magnéticos.
  • E λ es la energía de anisotropía magnetoelástica : esta energía se debe al efecto de la magnetostricción , un ligero cambio en las dimensiones del cristal al magnetizarse. Esto provoca deformaciones elásticas en la red cristalina, y se favorecerá la dirección de magnetización que minimice estas energías de deformación. Esta energía tiende a minimizarse cuando los ejes de magnetización de los dominios en un cristal son todos paralelos.
  • E k es la energía de anisotropía magnetocristalina : debido a su anisotropía magnética , la red cristalina se magnetiza con facilidad en una dirección y con dificultad en otras. Esta energía se minimiza cuando la magnetización se alinea con el eje cristalino de fácil magnetización, por lo que la magnetización de la mayoría de los dominios en un grano cristalino tiende a estar en una u otra dirección a lo largo de dicho eje. Dado que la red cristalina en los distintos granos del material suele estar orientada en direcciones aleatorias diferentes, esto provoca que la magnetización dominante de los dominios en los distintos granos apunte en direcciones diferentes.
  • E H es la energía de Zeeman : Esta es la energía que se suma o se resta a la energía magnetostática, debido a la interacción entre el material magnético y un campo magnético externo aplicado. Es proporcional al negativo del coseno del ángulo entre el campo y los vectores de magnetización. Los dominios con su campo magnético orientado paralelamente al campo aplicado reducen esta energía, mientras que los dominios con su campo magnético orientado en sentido opuesto al campo aplicado la aumentan. Por lo tanto, al aplicar un campo magnético a un material ferromagnético, generalmente se produce un movimiento de las paredes de dominio para aumentar el tamaño de los dominios que se encuentran mayoritariamente paralelos al campo, a costa de disminuir el tamaño de los dominios que se oponen al campo. Esto es lo que sucede cuando los materiales ferromagnéticos se "magnetizan". Con un campo externo suficientemente fuerte, los dominios que se oponen al campo serán absorbidos y desaparecerán; esto se llama saturación .
Rotación de la orientación y aumento del tamaño de los dominios magnéticos en respuesta a un campo aplicado externamente.

Algunas fuentes definen una energía de pared E W igual a la suma de la energía de intercambio y la energía de anisotropía magnetocristalina, que reemplaza a E ex y E k en la ecuación anterior.

Una estructura de dominio estable es una función de magnetización M ( x ), considerada como un campo vectorial continuo , que minimiza la energía total E en todo el material. Para encontrar los mínimos se utiliza un método variacional , que da como resultado un conjunto de ecuaciones diferenciales no lineales , llamadas ecuaciones de Brown en honor a William Fuller Brown Jr. Aunque en principio estas ecuaciones pueden resolverse para las configuraciones de dominio estables M ( x ), en la práctica solo se pueden resolver los ejemplos más simples. No existen soluciones analíticas, y las soluciones numéricas calculadas mediante el método de elementos finitos son computacionalmente intratables debido a la gran diferencia de escala entre el tamaño del dominio y el tamaño de la pared. Por lo tanto, la micromagnética ha desarrollado métodos aproximados que suponen que la magnetización de los dipolos en el interior del dominio, lejos de la pared, apunta en la misma dirección, y las soluciones numéricas solo se utilizan cerca de la pared del dominio, donde la magnetización cambia rápidamente.

Técnicas de obtención de imágenes de dominio

Existen diversos métodos de microscopía que permiten visualizar la magnetización en la superficie de un material magnético, revelando así los dominios magnéticos. Cada método tiene una aplicación diferente, ya que no todos los dominios son iguales. En los materiales magnéticos, los dominios pueden ser circulares, cuadrados, irregulares, alargados o estriados, y todos ellos presentan tamaños y dimensiones variables.

Efecto Kerr magnetoóptico (MOKE)

Mediante la microscopía de Kerr , que utiliza el efecto magnetoóptico de Kerr , se pueden observar fácilmente grandes dominios, del orden de 25 a 100 micrómetros, que consiste en la rotación de la polarización de la luz reflejada por una superficie magnetizada.

Dos técnicas de microscopía de Lorentz, STEM-DPC e imágenes de Fresnel, muestran información complementaria sobre la estructura de dominios magnéticos que rodean una forma fresada de Pacman en una película delgada de permalloy .

microscopía de Lorentz

La microscopía de Lorentz es un conjunto de técnicas de microscopía electrónica de transmisión que se utilizan para estudiar estructuras de dominios magnéticos a escala nanométrica. [ 9 ] Las técnicas más comunes incluyen el modo Fresnel, el modo Foucault y la difracción de electrones de bajo ángulo (LAD) en el modo TEM de haz paralelo, y el contraste de fase diferencial (DPC) en el modo TEM de barrido. La holografía electrónica fuera del eje es una técnica relacionada que se utiliza para observar estructuras magnéticas mediante la detección de campos magnéticos a escala nanométrica.

Microscopía de fuerza magnética (MFM)

Otra técnica para visualizar estructuras de dominio submicroscópicas a una escala de tan solo unos pocos nanómetros es la microscopía de fuerza magnética (MFM). La MFM es una forma de microscopía de fuerza atómica que utiliza una punta de sonda recubierta magnéticamente para escanear la superficie de la muestra.

Método amargo

Los patrones de Bitter son una técnica para visualizar dominios magnéticos que fue observada por primera vez por Francis Bitter . [ 10 ] La técnica consiste en colocar una pequeña cantidad de ferrofluido sobre la superficie de un material ferromagnético. El ferrofluido se distribuye a lo largo de las paredes de los dominios magnéticos, que presentan un flujo magnético mayor que las regiones del material ubicadas dentro de los dominios. Una técnica de Bitter modificada se ha incorporado a un dispositivo ampliamente utilizado, el Large Area Domain Viewer, que resulta particularmente útil para el examen de aceros al silicio de grano orientado . [ 11 ]

Imágenes magnetoópticas de diferentes estructuras de dominio
Estructura de dominios de una aleación con memoria de forma (registrada con CMOS-MagView)
Estructura de dominios de una aleación con memoria de forma (registrada con CMOS-MagView)
Estructura de dominio de un dominio meandriforme ejemplar (registrada con CMOS-MagView)
Estructura de dominio de un dominio meandriforme ejemplar (registrada con CMOS-MagView)
Estructura de dominio de un dominio de burbuja ejemplar (registrada con CMOS-MagView)
Estructura de dominio de una burbuja magnética ejemplar (registrada con CMOS-MagView).

Véase también

Referencias

  1. ^ Weiss, P. (1906). "La variación del ferromagnetismo de la temperatura" [ La variación del ferromagnetismo con la temperatura ] . Comptes Rendus (en francés). 143 : 1136-1149 ., citado en Cullity y Graham 2008 , pág. 116 
  2. ↑ Cullity, BD; Graham, CD (2008). Introducción a los materiales magnéticos (2.ª ed.). Nueva York: Wiley–IEEE. ISBN  978-0-471-47741-9..
  3. 1 2 3 4 Feynman, Richard P.; Robert B. Leighton ; Matthew Sands (1963). Las conferencias de Feynman sobre física, vol. II . EE. UU.: Instituto Tecnológico de California. págs. 37.5 – 37.6 . ISBN  0-201-02117-X.{{cite book}}: Incompatibilidad de ISBN/Fecha ( ayuda ) CS1 maint: url-status ( enlace )
  4. ^ Dunlop, David J.; Özdemir, Özden (1997). Magnetismo de rocas : fundamentos y fronteras . Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN  9780511612794.
  5. ^ Dunlop, David J.; Özdemir, Özden (30 de agosto de 2001). Magnetismo del rock: fundamentos y fronteras . Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN 978-0-521-00098-7.
  6. ↑ Álvarez, Nadia (2016). Dominios magnéticos y respuesta dinámica en aleaciones ferromagnéticas de FeP [ Dominios magnéticos y respuesta dinámica en aleaciones ferromagnéticas de FePt ] (Doctor) (en español). Universidad Nacional de Cuyo. Expediente 564. Archivado desde el original el 3 de agosto de 2020 . Consultado el 13 de mayo de 2020 .
  7. ↑ Dan Wei (28 de abril de 2012). Micromagnetismo y materiales de grabación . Springer Science & Business Media. ISBN 978-3-642-28577-6.
  8. ↑ Carey R., Isaac ED, Magnetic domains and techniques for their observation, The English University Press Ltd, Londres, (1966).
  9. ↑ Hopster, Herbert; Oepen, Hans Peter (2005). Microscopía magnética de nanoestructuras . Springer-Verlag . págs. 67–85 . ISBN  3-540-40186-5.
  10. ↑ Diccionario de Física. Oxford University Press, 2009.
  11. ↑ RJ Taylor, Un visor de dominio de área grande, Actas de SMM9, 1989
  • Jiles, David (1998). Introducción al magnetismo y a los materiales magnéticos . Londres: Chapman & Hall. ISBN 0-412-79860-3.