磁疇

分子或原子是構成物質材料的基元，基元中電子繞着原子核的運轉形成了電流，該電流產生的磁場，使每個基元都相當於一個微小的磁體，由大量基元組成一個集團結構，集團中所有基元產生的磁場都同方向整齊排列，這樣的集團叫做磁疇。在居里温度以下，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，形成很多小區域，每個區域內的原子磁矩沿特定的方向排列，呈現均勻的自發磁化。但是在不同的區域內，磁矩的方向不同，使得晶體總的磁化強度為零。這種自發磁化的小區域也稱為磁疇。

圖1為用粉紋法在Si-Fe單晶的（001）面上觀察到的磁疇結構，磁化方向已用箭頭表示出。

在鐵磁性物質內部，由於原子的磁矩不等於零，每一個原子的表現就好似微小的永久磁鐵。假設聚集於一個小區域的原子，其磁矩都均勻地同向平行排列，則稱這小區域為磁疇或外斯疇（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。

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：純鐵、硅鐵和鈷，磁疇結構如圖2。純鐵（圖2a）的磁疇結構為迷宮形狀，硅鐵（圖2b）則是針葉形狀，鈷（圖2c）的磁疇結構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。平衡狀態的磁疇結構，應具有最小的能量。 ^[1] 

在鐵磁質中相鄰電子之間存在着一種很強的“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域內“自發地”整齊排列起來而形成自發磁化小區域，稱為磁疇。在未經磁化的鐵磁質中，雖然每一磁疇內部都有確定的自發磁化方向，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不顯磁性。如圖3所示。

磁疇的存在是能量極小化的後果。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3a），則會有很多正磁荷與負磁荷分別形成於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3b），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於頂面的左右邊，又有負磁荷與正磁荷相反地分別形成於底面的左右邊，所以，磁能較微弱，大約為圖3a的一半。假設鐵磁性長方塊是由多個磁疇組成，如圖3c所示，則由於磁荷不會形成於頂面與底面，只會形成於斜虛界面，所有的磁場都包含於長方塊內部，磁能更微弱。這種組態稱為“閉磁疇”（closure domain），是最小能量態。

當鐵磁質處於外磁場中時，那些自發磁化方向和外磁場方向成小角度的磁疇其體積隨着外加磁場的增大而擴大並使磁疇的磁化方向進一步轉向外磁場方向。另一些自發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，這時鐵磁質對外呈現宏觀磁性。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。由於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] 

在居里温度以下，鐵磁或亞鐵磁材料內部存在很多具有各自的自發磁矩且磁矩成對的小區域。這些小區域排列的方向紊亂，宏觀上這些小區域的集合體在外界表現出整體磁矩為零，不顯磁性的現象。這些小區域即稱為磁疇。磁疇之間的界面稱為磁疇壁（magnetic domain wall）。當有外磁場作用時，磁疇內一些磁矩轉向外磁場方向，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，結果是磁化強度增高。隨着外磁場強度的進一步增高，磁化強度增大，但即使磁疇內的磁矩取向一致，成了單一磁疇區，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，即成飽和磁化。一旦達到飽和磁化後，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餘磁感應強度（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，使剩餘磁感應強度回到零，則此時的磁場強度稱為矯頑磁場強度或矯頑力（Hc）。

從物質的原子結構觀點來看，鐵磁質內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，鐵磁質內部形成了一些微小的自發磁化區域，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，內含約10¹⁷～10²⁰ 個原子。在沒有外磁場時，鐵磁質內各個磁疇的排列方向是無序的，所以鐵磁質對外不顯磁性。當鐵磁質處於外磁場中時，各個磁疇的磁矩在外磁場的作用下都趨向於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在數值上一般要大幾十倍到數千倍，甚至達數萬倍。 ^[2] 

相鄰磁疇的界限稱為磁疇壁，磁疇壁是一個過渡區，具有一定的厚度。磁疇的磁化方向在疇壁處不能突然轉一個很大的角度（主要有180°和90°兩種），而是經過疇壁一定厚度逐步轉過去的，即在這個過渡區中原子磁矩是逐步改變方向的。疇壁內部的能量總比疇內的能量高，壁的厚薄和麪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構。同一磁性材料，如果磁疇結構不同，則其磁化行為也不同，所以磁疇結構不同是鐵磁性物質磁性千差萬別的原因之一。磁疇結構受到交換能、各向異性能、磁彈性能、磁疇壁能、退磁能的影響。平衡狀態時的疇結構，這些能量之和應具有最小值。

根據自發磁化理論，在冷卻到居里點以下而不受外磁場作用的鐵磁晶體中，由於交換作用使得整個晶體自發磁化達到飽和，顯然，磁化方向應該沿着晶體的易軸，因為這樣交換能和磁晶能才都處於最小值。但因為晶體有一定的大小與形狀，整個晶體均勻磁化的結果必然產生磁極，磁極的退磁場卻給系統增加了一部分退磁能。對於“單疇”從能量觀點，把磁體分為n個區域時。退磁能降為原來的1/n，減少退磁能是分疇的基本動力。但由於兩個相鄰磁疇間存在疇壁，又需要增加一定的疇壁能，因此自發磁化區域的劃分不能無限小，而是以疇壁能及退磁能相加等於極值為條件。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。一個系統從高磁能的飽和組態變為低磁能的分疇組態，從而導致系統能量降低的可能性是形成磁疇結構的原因。

對於多晶體來説晶界，第二相，晶體缺陷、夾雜，應力、成分的不均勻性等對疇結構有顯著的影響。每一個晶粒會包含許多疇，在一個磁疇內，磁化強度一般都沿着晶體的易磁化方向。對於非織構的多晶體，各晶粒的取向是不同的，因此在不同晶粒內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附加疇。在平衡狀態時，疇壁一般都跨越夾雜物。 ^[3] 

從實驗中我們得知，鐵磁質的磁化和温度有關。隨着温度的升高，它的磁化能力逐漸減小，當温度升高到某一温度時，鐵磁性就完全消失，鐵磁質退化成順磁質。這個温度叫做居里温度或叫居里點。這是因為鐵磁質中自發磁化區域因劇烈的分子熱運動而遭到破壞，磁疇也就瓦解了，鐵磁質的鐵磁性消失，過渡到順磁質，從實驗知道，鐵的居里温度是1043K，78%坡莫合金的居里温度是873K，45%坡莫合金的居里温度是673K。