在居裏溫度以下,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稱為磁疇。圖1是用粉紋法在Si-Fe單晶的(001)面上觀察到的磁疇結構。

  起因 磁疇的成因,是為瞭降低由於自發磁化所產生的靜磁能。圖2a示意地表示整個鐵磁體均勻磁化而不分疇的情形。在這種情況下,正負磁荷分別集中在兩端,所產生的磁場(稱為退磁場)分佈在整個鐵磁體附近的空間內,因而有較高的靜磁能。圖2b表示分割成苦幹個磁化相反的小區域。這時,退磁場主要局限在鐵磁體兩端附近,從而使靜磁能降低。計算表明,如果分為N個區域,能量約可以降至 1/N(如圖2c所示)。

 疇壁 單純從靜磁能看,自發磁化趨向於分割成為磁化方向不同的磁疇,分割愈細,靜磁能愈低。但是,形成磁疇也是要付出代價的。相鄰磁疇之間,破壞瞭兩邊磁矩的平行排列,使交換能(見交換作用)增加。為減少交換能的增加,相鄰磁疇之間的原子磁矩,不是驟然轉向的,而是經過一個磁矩方向逐漸變化的過渡區域。這種過渡的區域叫做疇壁,如圖3所示。在疇壁內,原子磁矩不是平行排列的,同時也偏離瞭易磁化方向(見磁各向異性),所以在過渡區域內增加瞭交換能和各向異性能,這就是建立疇壁所需的疇壁能。磁疇分割得愈細,所需疇壁數目愈多,總的疇壁能愈高。由於這個緣故,磁疇的分割並不會無限地進行下去,而是進行到再分割所增加的疇壁能超過靜磁能的減少時為止。此時體系的總自由能最低。

一般地說,大塊鐵磁物體分成磁疇的原因是短程強交換作用和長程靜磁相互作用共同作用的結果。根據相鄰磁疇磁化方向的不同,可把疇壁區分為180°壁(如圖2b)和90°壁(如圖2c)。疇壁具有一定的厚度δo,如鐵晶體的疇壁約含1000個原子層。疇壁厚度取決於交換能和各向異性能的比值,某些稀土金屬間化合物在低溫下可形成一至幾個原子層的窄疇壁。磁疇寬度一般介於10910-2厘米。

  計算方法 究竟形成怎樣的磁疇結構,即磁疇的大小、形狀、分佈及各磁疇中的磁矩方向,取決於鐵磁體的內稟磁性[如交換作用、飽和磁化強度、磁晶各向異性(見磁各向異性)、磁致伸縮]和晶體的不完整性(如雜質、缺陷、內應力等),同時也與樣品的形狀、大小以及外加應力或磁場等因素有關。在熱力學平衡時,鐵磁體中自發磁化的分佈應使其總自由能達到極小值,因此,原則上鐵磁體中自發磁化的分佈(即磁疇結構)應滿足下列方程式:

式中Fi為交換能FA、磁晶各向異性能Fk、磁彈性能Fσ、退磁場能 FM以及外磁場中的勢能FH。但是嚴格解決上述變分問題,在物理上和數學上都遇到很大困難。一般是采取半經驗方法,先根據實驗或幾種能量的定性分析,提出合理的模型,然後再根據上式原理計算,得出定量的結果。雖然這種方法不夠嚴格,但若幹理論所預言的磁疇結構已在實驗上得到證實。不僅在鐵磁體、亞鐵磁體內存在磁疇,而且在反鐵磁體內也觀察到瞭磁疇結構。磁性材料的技術磁化過程就是在外磁場作用下磁疇的運動變化過程,所以磁疇結構直接影響物體的磁化行為。此外,某些特殊結構的磁疇(如磁泡)具有特殊的應用價值。

  最後需要指出,當鐵磁體的尺寸很小時(如微粒或薄膜),即使在外磁場為零時,鐵磁體也不分割成磁疇,而沿某一方向自發磁化,即單疇體。也就是說,根據材料的磁性,存在一個臨界尺寸,當物體體積小於臨界尺寸時,就不再形成磁疇結構。