Ferromagnetism, fysiskt fenomen där vissa elektriskt oladdade material starkt lockar andra. Två material som finns i naturen, lodestone (eller magnetit, en oxid av järn, Fe3O4) och järn, har förmågan att förvärva sådana attraktiva krafter, och de kallas ofta naturliga ferromagneter. De upptäcktes för mer än 2000 år sedan, och alla tidiga vetenskapliga studier av magnetism genomfördes på dessa material. Idag används ferromagnetiska material i en mängd olika enheter som är väsentliga för vardagen-t. ex., elektriska motorer och generatorer, transformatorer, telefoner och högtalare.
Ferromagnetism är en slags magnetism som är associerad med järn, kobolt, nickel och vissa legeringar eller föreningar som innehåller ett eller flera av dessa element., Det förekommer också i gadolinium och några andra sällsynta jordartsmetaller. I motsats till andra ämnen magnetiseras ferromagnetiska material lätt, och i starka magnetiska fält närmar sig magnetiseringen en bestämd gräns som kallas mättnad. När ett fält appliceras och sedan avlägsnas återgår magnetiseringen inte till sitt ursprungliga värde—detta fenomen kallas Hysteres (q.v.). Vid upphettning till en viss temperatur som kallas Curie-punkten (q.v.,), som är olika för varje ämne, ferromagnetiska material förlorar sina karakteristiska egenskaper och upphör att vara magnetiska; men de blir ferromagnetiska igen vid kylning.
magnetismen i ferromagnetiska material orsakas av inriktningsmönstren för deras beståndsdelar atomer, som fungerar som elementära elektromagneter. Ferromagnetism förklaras av konceptet att vissa arter av atomer har ett magnetiskt ögonblick-det vill säga att en sådan atom i sig är en elementär elektromagnet som produceras av elektronernas rörelse om dess kärna och genom spinningen av dess elektroner på sina egna axlar., Under Curie punkten, atomer som beter sig som små magneter i ferromagnetiska material spontant anpassa sig. De blir orienterade i samma riktning, så att deras magnetfält förstärker varandra.
ett krav på ett ferromagnetiskt material är att dess atomer eller joner har permanenta magnetiska stunder. Det magnetiska ögonblicket hos en atom kommer från dess elektroner, eftersom kärnans bidrag är försumbar. Ett annat krav på ferromagnetism är någon form av interatomisk kraft som håller de magnetiska stunderna hos många atomer parallella med varandra., Utan en sådan kraft skulle atomerna vara oordnade av termisk agitation, stunderna i angränsande atomer skulle neutralisera varandra, och det stora magnetiska ögonblicket som är karakteristiskt för ferromagnetiska material skulle inte existera.
det finns gott om bevis för att vissa atomer eller joner har ett permanent magnetiskt ögonblick som kan avbildas som en dipol som består av en positiv, eller norr, Pol separerad från en negativ, eller söder, Pol., I ferromagneter leder den stora kopplingen mellan de atommagnetiska ögonblicken till en viss grad av dipoljustering och därmed till en nätmagnetisering.
den franska fysikern Pierre-Ernest Weiss postulerade en storskalig typ av magnetisk ordning för ferromagneter som kallas domänstruktur. Enligt hans teori består ett ferromagnetiskt fast ämne av ett stort antal små regioner eller domäner, i vilka alla atomära eller Joniska magnetiska stunder är inriktade., Om de resulterande ögonblicken i dessa domäner är slumpmässigt orienterade, kommer objektet som helhet inte att visa magnetism, men ett externt applicerat magnetiseringsfält kommer, beroende på dess styrka, att rotera en efter en av domänerna i linje med det yttre fältet och orsaka inriktade domäner att växa på bekostnad av icke-anpassade. I det begränsande tillståndet kallat mättnad kommer hela objektet att bestå av en enda domän.
Domänstruktur kan observeras direkt., I en teknik placeras en kolloidal lösning av små magnetiska partiklar, vanligtvis magnetit, på ytan av en ferromagnet. När ytpolerna är närvarande tenderar partiklarna att koncentrera sig i vissa regioner för att bilda ett mönster som lätt observeras med ett optiskt mikroskop. Domänmönster har också observerats med polariserat ljus, polariserade neutroner, elektronstrålar och röntgenstrålar.
i många ferromagneter dipol stunder är inriktade parallellt med den starka kopplingen., Detta är det magnetiska arrangemanget som finns för elementmetallerna järn (Fe), nickel (Ni) och kobolt (Co) och för deras legeringar med varandra och med några andra element. Dessa material utgör fortfarande den största gruppen av ferromagneter som vanligen används. De andra elementen som har en collinearbeställning är de sällsynta jordartsmetallerna gadolinium (Gd), terbium (Tb) och dysprosium (Dy), men de två sista blir ferromagneter endast långt under rumstemperatur. Vissa legeringar, men inte består av någon av de element som just nämnts, ändå har ett parallellt ögonblick arrangemang., Ett exempel på detta är Heuslerlegeringen CuAlMn3, där manganatomerna (Mn) har magnetiska stunder, även om manganmetallen i sig inte är ferromagnetisk.
sedan 1950, och särskilt sedan 1960, har flera joniskt bundna föreningar upptäckts vara ferromagnetiska. Några av dessa föreningar är elektriska isolatorer; andra har en ledningsförmåga av storleksordning som är typisk för halvledare. Sådana föreningar innefattar kalkogenider (föreningar av syre, svavel, selen eller tellurium), halogenider (föreningar av fluor, klor, brom eller jod) och deras kombinationer., Jonerna med permanenta dipolmoment i dessa material är mangan, krom (Cr) och europium (Eu); de andra är diamagnetiska. Vid låga temperaturer, de sällsynta jordartsmetaller holmium (Ho) och erbium (Er) har en nonparallel moment arrangemang som ger upphov till en betydande spontan magnetisering. Vissa joniska föreningar med spinellkristallstrukturen har också ferromagnetisk beställning. En annan struktur leder till en spontan magnetisering i thulium (Tm) under 32 kelvins (K).,
ovanför Curie-punkten (även kallad Curie-temperaturen) försvinner den spontana magnetiseringen av det ferromagnetiska materialet och det blir paramagnetiskt (dvs det förblir svagt magnetiskt). Detta beror på att den termiska energin blir tillräcklig för att övervinna materialets inre inriktningskrafter. Curie temperaturerna för vissa viktiga ferromagneter är: järn, 1,043 K; kobolt, 1,394 K; nickel, 631 K; och gadolinium, 293 K.