В отсутствии внешних магнитных полей при охлаждении ферромагнитного кристалла ниже температуры Кюри Т_с в нем образуется определенная конфигурация областей самопроизвольной намагниченности, называемая доменной структурой.

Под этим термином понимается сочетание размеров, формы, взаимного расположения доменов, ориентации векторов спонтанной намагниченности J_s в доменах и доменных стенках (границах). Каждый домен намагничен до насыщения, вектор J_s в которых ориентирован вдоль определенного направления, называемого осью легкого намагничивания (ОЛН). Существование доменной структуры определяет высокую восприимчивость χ процесса намагничивания в ферромагнетике. Ход кривой намагничивания, т.е. зависимость намагниченности образца от внешнего магнитного поля J(H), определяется процессами возникновения, формирования и исчезновения доменов.

Теоретические расчеты доменной структуры проводятся термодинамическим методом. Наиболее вероятную доменную структуру для конкретного кристалла строят из эмпирических данных и физических соображений. Основные параметры доменной структуры определяются из условия минимума термодинамического потенциала. В расчетах намагниченность в доменах предполагается однородной. Сравнение энергий для возможных различных доменных структур позволяет выбрать структуру с минимальной энергией и сравнить её с экспериментальными данными. На примере ферромагнитной пластины с осью легкого намагничивания перпендикулярной её поверхности рассмотрим доменную структуру при условии, что толщина пластины много меньше ее линейных размеров и намагниченность в доменах направлена вдоль оси магнитной анизотропии. На рис.1 представлены два возможных варианта доменной структуры. В первом случае доменная структура ферромагнитного тела имеет на поверхности замыкающие домены (рис.1a.) такие, что переход от одного направления намагниченности к другому между соседними доменами вблизи поверхности происходит через замыкающие домены с намагниченностью параллельной поверхности. Во втором случае, замыкающие домены отсутствуют, вектор намагниченности в доменах выходит на поверхность и образует магнитные полюса. Каждая из этих доменных структур обладает различной энергией, в одних условиях оказывается термодинамически более выгодной одна структура, а в другом – вторая.

Равновесная магнитная структура ферромагнетика определяется из условия минимума энергии тела в целом, с учетом его формы и размеров. Энергия W ферромагнитного тела в магнитном поле H может быть представлена в виде суммы членов, характеризующих различные виды магнитного взаимодействия

Здесь W_A – энергия обменного (квантового) взаимодействия между магнитными моментами соседних атомов, ответственных за образование спонтанной намагниченности J_s . В ферромагнетиках эта энергия минимальна, когда магнитные моменты всех атомов ориентируются параллельно друг другу.

W_H – энергия магнетика во внешнем поле (энергия Зеемана), которая минимальна при ориентации магнитного момента образца вдоль поля H .

W_М – магнитостатическая энергия полей рассеяния, вызванная образованием магнитных полюсов на поверхности ферромагнитного тела.

 

 

В ферромагнитных веществах магнитные моменты атомов благодаря обменному взаимодействию при температурах, меньших некоторой критической температуры (температуры Кюри T_C), ориентируются параллельно друг другу. В связи с этим любой ферромагнетик при T < T_C должен обладать макроскопическим магнитным моментом или намагниченностью. Обменное взаимодействие по своей природе является чисто квантовомеханическим эффектом, поэтому не поддается толкованию в терминах классической физики. В ферромагнетиках обменная энергия минимальна при параллельной ориентации собственных магнитных моментов электронов, что и приводит к появлению спонтанной намагниченности при T < T_C . Обменное взаимодействие изотропно по своей природе. Если учитывать только такой вид взаимодействий в ферромагнетике, то намагниченность в нем может быть направлена в произвольном направлении. Однако любое кристаллическое твердое тело является анизотропным. Из-за анизотропности свойств ферромагнетика вектор намагниченности в нем выстраивается не произвольно, а в строго определенных направлениях. Обычно это направления, соответствующие кристаллографическим осям. Так, например, в кубических ферромагнетиках вектор намагниченности может быть направлен вдоль ребра куба, диагонали грани куба или главной диагонали куба. В одноосных кристаллах намагниченность может быть направлена либо вдоль анизотропии, либо в плоскости, перпендикулярной оси анизотропии.