Ferromagnetismo, fenomeno fisico in cui alcuni materiali elettricamente non caricati attirano fortemente gli altri. Due materiali trovati in natura, la calamita (o magnetite, un ossido di ferro, Fe3O4) e il ferro, hanno la capacità di acquisire tali poteri attraenti e sono spesso chiamati ferromagneti naturali. Sono stati scoperti più di 2.000 anni fa e tutti i primi studi scientifici sul magnetismo sono stati condotti su questi materiali. Oggi, i materiali ferromagnetici sono utilizzati in un’ampia varietà di dispositivi essenziali per la vita di tutti i giorni—ad esempio,, motori elettrici e generatori, trasformatori, telefoni e altoparlanti.
Il ferromagnetismo è un tipo di magnetismo associato a ferro, cobalto, nichel e alcune leghe o composti contenenti uno o più di questi elementi., Si verifica anche nel gadolinio e in alcuni altri elementi delle terre rare. A differenza di altre sostanze, i materiali ferromagnetici sono magnetizzati facilmente e in forti campi magnetici la magnetizzazione si avvicina a un limite definito chiamato saturazione. Quando un campo viene applicato e quindi rimosso, la magnetizzazione non ritorna al suo valore originale—questo fenomeno è indicato come isteresi (qv). Quando riscaldato ad una certa temperatura chiamato il punto di Curie (q. v.,), che è diverso per ogni sostanza, i materiali ferromagnetici perdono le loro proprietà caratteristiche e cessano di essere magnetici; tuttavia, diventano nuovamente ferromagnetici al raffreddamento.
Il magnetismo nei materiali ferromagnetici è causato dai modelli di allineamento dei loro atomi costituenti, che agiscono come elettromagneti elementari. Il ferromagnetismo è spiegato dal concetto che alcune specie di atomi possiedono un momento magnetico, cioè che un tale atomo stesso è un elettromagnete elementare prodotto dal movimento degli elettroni attorno al suo nucleo e dallo spin dei suoi elettroni sui propri assi., Sotto il punto di Curie, gli atomi che si comportano come piccoli magneti nei materiali ferromagnetici si allineano spontaneamente. Diventano orientati nella stessa direzione, in modo che i loro campi magnetici si rafforzino a vicenda.
Un requisito di un materiale ferromagnetico è che i suoi atomi o ioni abbiano momenti magnetici permanenti. Il momento magnetico di un atomo proviene dai suoi elettroni, poiché il contributo nucleare è trascurabile. Un altro requisito per il ferromagnetismo è una sorta di forza interatomica che mantiene i momenti magnetici di molti atomi paralleli tra loro., Senza una tale forza gli atomi sarebbero disordinati dall’agitazione termica, i momenti degli atomi vicini si neutralizzerebbero a vicenda e il grande momento magnetico caratteristico dei materiali ferromagnetici non esisterebbe.
Ci sono ampie prove che alcuni atomi o ioni hanno un momento magnetico permanente che può essere raffigurato come un dipolo costituito da un polo positivo, o nord, separato da un polo negativo, o sud., Nei ferromagneti, il grande accoppiamento tra i momenti magnetici atomici porta ad un certo grado di allineamento del dipolo e quindi ad una magnetizzazione netta.
Il fisico francese Pierre-Ernest Weiss postulò un tipo di ordine magnetico su larga scala per ferromagneti chiamato struttura di dominio. Secondo la sua teoria, un solido ferromagnetico è costituito da un gran numero di piccole regioni, o domini, in ognuno dei quali tutti i momenti magnetici atomici o ionici sono allineati., Se i momenti risultanti di questi domini sono orientati in modo casuale, l’oggetto nel suo complesso non mostrerà il magnetismo, ma un campo di magnetizzazione applicato esternamente, a seconda della sua forza, ruoterà uno dopo l’altro dei domini in allineamento con il campo esterno e farà crescere i domini allineati a scapito di quelli non allineati. Nello stato limite chiamato saturazione, l’intero oggetto comprenderà un singolo dominio.
La struttura del dominio può essere osservata direttamente., In una tecnica, una soluzione colloidale di piccole particelle magnetiche, solitamente magnetite, viene posta sulla superficie di un ferromagnete. Quando i poli di superficie sono presenti, le particelle tendono a concentrarsi in determinate regioni per formare un modello che è facilmente osservato con un microscopio ottico. Modelli di dominio sono stati osservati anche con luce polarizzata, neutroni polarizzati, fasci di elettroni e raggi X.
In molti ferromagneti i momenti di dipolo sono allineati parallelamente dal forte accoppiamento., Questa è la disposizione magnetica trovata per i metalli elementari ferro (Fe), nichel (Ni) e cobalto (Co) e per le loro leghe tra loro e con alcuni altri elementi. Questi materiali costituiscono ancora il più grande gruppo di ferromagneti comunemente usati. Gli altri elementi che possiedono un ordine collineare sono i metalli delle terre rare gadolinio (Gd), terbio (Tb) e disprosio (Dy), ma gli ultimi due diventano ferromagneti solo ben al di sotto della temperatura ambiente. Alcune leghe, sebbene non siano composte da nessuno degli elementi appena menzionati, hanno tuttavia una disposizione parallela del momento., Un esempio di questo è la lega Heusler CuAlMn3, in cui gli atomi di manganese (Mn) hanno momenti magnetici, anche se il metallo manganese stesso non è ferromagnetico.
Dal 1950, e in particolare dal 1960, diversi composti legati ionicamente sono stati scoperti per essere ferromagnetici. Alcuni di questi composti sono isolanti elettrici; altri hanno una conduttività di grandezza tipica dei semiconduttori. Tali composti includono calcogenuri (composti di ossigeno, zolfo, selenio o tellurio), alogenuri (composti di fluoro, cloro, bromo o iodio) e loro combinazioni., Gli ioni con momenti di dipolo permanente in questi materiali sono manganese, cromo (Cr) ed europio (Eu); gli altri sono diamagnetici. A basse temperature, i metalli delle terre rare olmio (Ho) e erbio (Er) hanno una disposizione momento non parallelo che dà luogo ad una sostanziale magnetizzazione spontanea. Alcuni composti ionici con la struttura cristallina dello spinello possiedono anche l’ordinamento ferromagnetico. Una diversa struttura porta ad una magnetizzazione spontanea in tulio (Tm) inferiore a 32 kelvin (K).,
Sopra il punto di Curie (chiamato anche temperatura di Curie), la magnetizzazione spontanea del materiale ferromagnetico svanisce e diventa paramagnetica (cioè rimane debolmente magnetica). Ciò si verifica perché l’energia termica diventa sufficiente per superare le forze di allineamento interne del materiale. Le temperature di Curie per alcuni importanti ferromagneti sono: ferro, 1,043 K; cobalto, 1,394 K; nichel, 631 K; e gadolinio, 293 K.