磁畴（物理学学科中的概念）
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更新时间：2023-05-20
磁畴
物理学学科中的概念
简介
分子或原子是构成物质材料的基元，基元中电子绕着原子核的运转形成了电流，该电流产生的磁场，使每个基元都相当于一个微小的磁体，由大量基元组成一个集团结构，集团中所有基元产生的磁场都同方向整齐排列，这样的集团叫做磁畴。在居里温度以下，在大块铁磁性或亚铁磁性（见铁氧体）单晶体（或多 晶体中的晶粒）中，形成很多小区域，每个区域内的原子磁矩沿特定的方向排列，呈现均匀的自发磁化。但是在不同的区域内，磁矩的方向不同，使得晶体总的磁化强度为零。这种自发磁化的小区域也称为磁畴。
磁畴
在铁磁性物质内部，由于原子的磁矩不等于零，每一个原子的表现就好似微小的永久磁铁。假设聚集于一个小区域的原子，其磁矩都均匀地同向平行排列，则称这小区域为磁畴或外斯畴（Weiss domain）。使用磁力显微镜（magnetic force microscope），可以观测到磁畴。
磁畴的种类分为：a）单独磁畴。b）两个异向磁畴。c）多个磁畴，最小能量态。磁畴所生成的磁场以带箭头细曲线表示。磁化强度以带箭头粗直线表示。
原理简析
形成示意图
磁畴的存在是能量极小化的后果。这是物理学家列夫·朗道和叶津·李佛西兹（Evgeny Lifshitz）提出的点子。假设一个铁磁性长方体是单独磁畴（图a），则会有很多正磁荷与负磁荷分别形成于长方块的顶面与底面，从而拥有较强烈的磁能。假设铁磁性长方块分为两个磁畴（图b），其中一个磁畴的磁矩朝上，另一个朝下，则会有正磁荷与负磁荷分别形成于顶面的左右边，又有负磁荷与正磁荷相反地分别形成于底面的左右边，所以，磁能较微弱，大约为图a的一半。假设铁磁性长方块是由多个磁畴组成，如图c所示，则由于磁荷不会形成于顶面与底面，只会形成于斜虚界面，所有的磁场都包含于长方块内部，磁能更微弱。这种组态称为“闭磁畴”（closure domain），是最小能量态。
当铁磁质处于外磁场中时，那些自发磁化方向和外磁场方向成小角度的磁畴其体积随着外加磁场的增大而扩大并使磁畴的磁化方向进一步转向外磁场方向。另一些自发磁化方向和外磁场方向成大角度的磁畴其体积则逐渐缩小，这时铁磁质对外呈现宏观磁性。当外磁场增大时，上述效应相应增大，直到所有磁畴都沿外磁场排列达到饱和。由于在每个磁畴中个单元磁矩已排列整齐，因此具有很强的宏观磁性。
性质
磁畴
从物质的原子结构观点来看，铁磁质内电子间因自旋引起的相互作用是非常强烈的，在这种作用下，铁磁质内部形成了一些微小的自发磁化区域，叫做磁畴。每一个磁畴中，各个电子的自旋磁矩排列的很整齐，因此它具有很强的磁性。磁畴的体积约为10 m ～10 m ，内含约10 ～10 个原子。在没有外磁场时，铁磁质内各个磁畴的排列方向是无序的，所以铁磁质对外不显磁性。当铁磁质处于外磁场中时，各个磁畴的磁矩在外磁场的作用下都趋向于沿外磁场中的磁化程度非常大，它所建立的附加磁场强度B'比外磁场的磁场强度B在数值上一般要大几十倍到数千倍，甚至达数万倍。
移动
相邻磁畴的界限称为磁畴壁，磁畴壁是一个过渡区，具有一定的厚度。磁畴的磁化方向在畴壁处不能突然转一个很大的角度（主要有180°和90°两种），而是经过畴壁一定厚度逐步转过去的，即在这个过渡区中原子磁矩是逐步改变方向的。畴壁内部的能量总比畴内的能量高，壁的厚薄和面积大小都使它具有一定能量。
结构
磁畴的形状尺寸。畴壁的类型与厚度总称为磁畴结构。同一磁性材料，如果磁畴结构不同，则其磁化行为也不同，所以磁畴结构不同是铁磁性物质磁性千差万别的原因之一。磁畴结构受到交换能、各向异性能、磁弹性能、磁畴壁能、退磁能的影响。平衡状态时的畴结构，这些能量之和应具有最小值。
根据自发磁化理论，在冷却到居里点以下而不受外磁场作用的铁磁晶体中，由于交换作用使得整个晶体自发磁化达到饱和，显然，磁化方向应该沿着晶体的易轴，因为这样交换能和磁晶能才都处于最小值。但因为晶体有一定的大小与形状，整个晶体均匀磁化的结果必然产生磁极，磁极的退磁场却给系统增加了一部分退磁能。对于“单畴”从能量观点，把磁体分为n个区域时。退磁能降为原来的1/n，减少退磁能是分畴的基本动力。但由于两个相邻磁畴间存在畴壁，又需要增加一定的畴壁能，因此自发磁化区域的划分不能无限小，而是以畴壁能及退磁能相加等于极值为条件。为了降低能量。晶体边缘表面附近为封闭磁畴，它们使得退磁能降为零。一个系统从高磁能的饱和组态变为低磁能的分畴组态，从而导致系统能量降低的可能性是形成磁畴结构的原因。
对于多晶体来说晶界，第二相。晶体缺陷、夹杂，应力、成分的不均匀性等对畴结构有显著的影响。每一个晶粒会包含许多畴，在一个磁畴内，磁化强度一般都沿着晶体的易磁化方向。对于非织构的多晶体，各晶粒的取向是不同的，因此在不同晶粒内部磁畴的取向是不同的。为了减少退磁场能，在夹杂物附近会出现附加畴。在平衡状态时，畴壁一般都跨越夹杂物。
