Ferromagnetyzm-zjawisko fizyczne, w którym pewne elektrycznie naładowane Materiały silnie przyciągają innych. Dwa materiały występujące w przyrodzie, lodestone (lub magnetyt, tlenek żelaza, Fe3O4) i żelazo, mają zdolność do nabycia takich atrakcyjnych mocy, i są często nazywane naturalnymi ferromagnetami. Zostały one odkryte ponad 2000 lat temu, a wszystkie wczesne badania naukowe magnetyzmu były prowadzone na tych materiałach. Obecnie materiały ferromagnetyczne znajdują zastosowanie w wielu różnych urządzeniach niezbędnych w życiu codziennym—np.,, Silniki elektryczne i generatory, transformatory, Telefony i głośniki.
Ferromagnetyzm jest rodzajem magnetyzmu, który jest związany z żelazem, kobaltem, niklem i niektórymi stopami lub związkami zawierającymi jeden lub więcej z tych pierwiastków., Występuje również w gadolinie i kilku innych pierwiastkach ziem rzadkich. W przeciwieństwie do innych substancji, materiały ferromagnetyczne są namagnesowane łatwo, a w silnych polach magnetycznych namagnesowanie zbliża się do określonej granicy zwanej nasyceniem. Po przyłożeniu pola, a następnie usunięciu, namagnesowanie nie wraca do pierwotnej wartości—zjawisko to określa się mianem histerezy (Q. V.). Po podgrzaniu do pewnej temperatury zwanej punktem Curie (Q. V.,), która jest inna dla każdej substancji, materiały ferromagnetyczne tracą swoje charakterystyczne właściwości i przestają być magnetyczne; jednak po ochłodzeniu ponownie stają się ferromagnetyczne.
magnetyzm w materiałach ferromagnetycznych jest spowodowany wzorcami wyrównania ich składowych atomów, które pełnią rolę elementarnych elektromagnesów. Ferromagnetyzm tłumaczy się pojęciem, że niektóre gatunki atomów posiadają moment magnetyczny—to znaczy, że taki atom sam w sobie jest elementarnym elektromagnesem wytwarzanym przez ruch elektronów wokół jądra i przez spin jego elektronów na własnych osiach., Poniżej punktu Curie, atomy, które zachowują się jak małe magnesy w materiałach ferromagnetycznych spontanicznie wyrównują się. Stają się one zorientowane w tym samym kierunku, tak że ich pola magnetyczne wzajemnie się wzmacniają.
jednym z wymagań materiału ferromagnetycznego jest to, że jego atomy lub jony mają trwałe momenty magnetyczne. Moment magnetyczny atomu pochodzi od jego elektronów, ponieważ udział jądrowy jest znikomy. Innym wymogiem dla ferromagnetyzmu jest jakaś siła międzyatomowa, która utrzymuje momenty magnetyczne wielu atomów równolegle do siebie., Bez takiej siły Atomy byłyby nieuporządkowane przez pobudzenie termiczne, momenty sąsiednich atomów zneutralizowałyby się nawzajem, a duży moment magnetyczny charakterystyczny dla materiałów ferromagnetycznych nie istniałby.
istnieje wiele dowodów na to, że niektóre atomy lub jony mają stały moment magnetyczny, który może być przedstawiony jako dipol składający się z dodatniego lub północnego bieguna oddzielonego od ujemnego lub południowego bieguna., W ferromagnetach Duże sprzężenie między atomowymi momentami magnetycznymi prowadzi do pewnego stopnia wyrównania dipolowego, a tym samym do namagnesowania netto.
francuski fizyk Pierre-Ernest Weiss postulował wielkoskalowy Typ porządku magnetycznego dla ferromagnetów zwany strukturą domeny. Zgodnie z jego teorią, ferromagnetyczne ciało stałe składa się z dużej liczby małych regionów lub domen, w których wszystkie atomowe lub jonowe momenty magnetyczne są wyrównane., Jeśli momenty wynikowe tych domen są losowo zorientowane, obiekt jako całość nie będzie wyświetlał magnetyzmu, ale zewnętrzne pole magnetyzujące, w zależności od jego siły, będzie obracać się jeden po drugim domen do wyrównania z polem zewnętrznym i spowodować wyrównane domeny rosną kosztem niealignowanych. W stanie granicznym zwanym nasyceniem, cały obiekt będzie składał się z jednej domeny.
strukturę domeny można obserwować bezpośrednio., W jednej z technik na powierzchni ferromagnetu umieszcza się koloidalny roztwór małych cząstek magnetycznych, Zwykle magnetytu. Gdy bieguny powierzchni są obecne, cząstki mają tendencję do koncentracji w niektórych regionach, tworząc wzór, który jest łatwo obserwowany za pomocą mikroskopu optycznego. Wzorce domen zaobserwowano również przy świetle spolaryzowanym, spolaryzowanych neutronach, wiązkach elektronów i promieniach X.
w wielu ferromagnetach momenty dipolowe są wyrównane równolegle przez silne sprzężenie., Jest to układ magnetyczny występujący dla pierwiastkowych metali żelazo( Fe), nikiel (Ni) i kobalt (Co) oraz dla ich stopów ze sobą i z niektórymi innymi pierwiastkami. Materiały te nadal stanowią największą grupę powszechnie stosowanych ferromagnetów. Inne pierwiastki, które posiadają kolejność collinear są metale ziem rzadkich gadolin (GD), terbium (Tb) i dysprozium (Dy), ale dwa ostatnie stają się ferromagnety tylko znacznie poniżej temperatury pokojowej. Niektóre stopy, choć nie składają się z żadnego z wymienionych elementów, mają jednak równoległy układ momentu., Przykładem tego jest stop Heuslera CuAlMn3, w którym atomy manganu (Mn) mają momenty magnetyczne, choć sam mangan nie jest ferromagnetyczny.
od 1950 roku, a zwłaszcza od 1960 roku, odkryto kilka związków wiązanych jonowo jako ferromagnetyczne. Niektóre z tych związków są izolatorami elektrycznymi; inne mają przewodność wielkości typową dla półprzewodników. Do takich związków należą chalkogenidy( związki tlenu, siarki, selenu lub telluru), halogenki (związki fluoru, chloru, bromu lub jodu) i ich kombinacje., Jony z trwałymi momentami dipolowymi w tych materiałach to mangan, chrom (Cr) i Europ (Eu); pozostałe są diamagnetyczne. W niskich temperaturach metale ziem rzadkich Holm (Ho) i ERB (Er) mają nieporównywalny układ momentu, który powoduje znaczne spontaniczne namagnesowanie. Niektóre związki jonowe o strukturze krystalicznej spinelu posiadają również porządek ferromagnetyczny. Inna struktura prowadzi do spontanicznego namagnesowania w thulium (Tm) poniżej 32 kelwinów (K).,
powyżej punktu Curie (zwanego również temperaturą Curie) spontaniczne namagnesowanie materiału ferromagnetycznego znika i staje się paramagnetyczne (tzn. pozostaje słabo magnetyczny). Dzieje się tak, ponieważ energia cieplna staje się wystarczająca do przezwyciężenia wewnętrznych sił wyrównujących materiału. Temperatury Curie dla niektórych ważnych ferromagnetów to: żelazo, 1043 K; kobalt, 1394 K; nikiel, 631 K; i gadolin, 293 k.