[科普中国]-磁域逻辑

磁域逻辑，是指铁磁体材料在自发磁化的过程中为降低静磁能而产生分化的方向各异的小型磁化区域的过程，每个区域内部包含大量原子。

在铁磁质中相邻电子之间存在着一种很强的“交换耦合”作用，在无外磁场的情况下，它们的自旋磁矩能在一个个微小区域内“自发地”整齐排列起来而形成自发磁化小区域，称为磁域逻辑。在未经磁化的铁磁质中，虽然每一磁域逻辑内部都有确定的自发磁化方向，有很大的磁性，但大量磁域逻辑的磁化方向各不相同因而整个铁磁质不显磁性。如图所示。

磁域逻辑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域逻辑，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域逻辑，其中一个磁域逻辑的磁矩朝上，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。假设铁磁性长方块是由多个磁域逻辑组成，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“闭磁域逻辑”，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域逻辑其体积随着外加磁场的增大而扩大并使磁域逻辑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域逻辑其体积则逐渐缩小，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，直到所有磁域逻辑都沿外磁场排列达到饱和。由于在每个磁域逻辑中个单元磁矩已排列整齐，因此具有很强的宏观磁性。1

在居里温度以下，铁磁或亚铁磁材料内部存在很多具有各自的自发磁矩且磁矩成对的小区域。这些小区域排列的方向紊乱，宏观上这些小区域的集合体在外界表现出整体磁矩为零，不显磁性的现象。这些小区域即称为磁域逻辑。磁域逻辑之间的界面称为磁域逻辑壁（magnetic domain wall）。当有外磁场作用时，磁域逻辑内一些磁矩转向外磁场方向，使得与外磁场方向接近一致的总磁矩得到增加，这类磁域逻辑得到成长，而其他磁域逻辑变小，结果是磁化强度增高。随着外磁场强度的进一步增高，磁化强度增大，但即使磁域逻辑内的磁矩取向一致，成了单一磁域逻辑区，其磁化方向与外磁场方向也不完全一致。只有当外磁场强度增加到一定程度时，所有磁域逻辑中磁矩的磁化方向才能全部与外磁场方向取向完全一致。此时，铁磁体就达到磁饱和状态，即成饱和磁化。一旦达到饱和磁化后，即使磁场减小到零，磁矩也不会回到零，残留下一些磁化效应。这种残留磁化值称为残余磁感应强度（以符号Br表示）。饱和磁化值称为饱和磁感应强度（Bs）。若加上反向磁场，使剩余磁感应强度回到零，则此时的磁场强度称为矫顽磁场强度或矫顽力（Hc）。

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，叫做磁域逻辑。每一个磁域逻辑中，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。磁域逻辑的体积约为10-12m3～10-9m3，内含约1017～1020个原子。在没有外磁场时，铁磁质内各个磁域逻辑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，各个磁域逻辑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。2

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