Ферромагнетизм — появление спонтанной намагниченности при температуре ниже температуры Кюри вследствие упорядочения магнитных моментов, при котором большая их часть параллельна друг другу. Это основной механизм, с помощью которого определённые материалы (например, железо) образуют постоянные магниты или притягиваются к магнитам. Вещества, в которых возникает ферромагнитное упорядочение магнитных моментов, называются ферромагнетиками.
В физике принято различать несколько типов магнетизма. Ферромагнетизм (наряду с аналогичным эффектом ферримагнетизма) является самым сильным типом магнетизма и ответственен за физическое явление магнетизма в магнитах, встречающееся в повседневной жизни. Вещества с тремя другими типами магнетизма — парамагнетизмом, диамагнетизмом и антиферромагнетизмом, слабее реагируют на магнитные поля, — но силы обычно настолько слабы, что их можно обнаружить только с помощью чувствительных приборов в лаборатории.
Повседневный пример ферромагнетизма — магнит на холодильник, который используется для хранения записок на дверце холодильника. Применяется также во многой бытовой технике: аквариумных фильтрах и стиральных машинах (ротор синхронного двигателя, совмещённый с рабочим колесом центробежного насоса), маломощных двигателях постоянного тока в качестве возбуждения, вентильных двигателях для компьютерных вентиляторов. Притяжение между магнитом и ферромагнитным материалом — это качество магнетизма, которое наблюдалось с древних времён.Bozorth, Richard M. Ferromagnetism, first published 1951, reprinted 1993 by IEEE Press, New York as a «Classic Reissue.» .
Постоянные магниты, создаваемые из материалов, которые могут быть намагничены внешним магнитным полем и оставаться намагниченными после снятия внешнего поля, сделаны из ферромагнитных, либо ферримагнитных веществ, как и материалы притягивающиеся к ним. Лишь некоторые химические чистые вещества обладают ферромагнитными свойствами. Наиболее распространенными из них являются железо, кобальт, никель и гадолиний. Большинство их сплавов, а также некоторые соединения редкоземельных металлов демонстрируют ферромагнетизм. Ферромагнетизм очень важен в промышленности и современных технологиях и является основой для многих электрических и электромеханических устройств, таких как электромагниты, электродвигатели, генераторы, трансформаторы и магнитные накопители, магнитофоны и жёсткие диски, а также для неразрушающего контроля чёрных металлов.
Ферромагнитные материалы можно разделить на магнитомягкие материалы, такие как отожженное железо, которое может быть намагничено, но не имеет тенденции оставаться намагниченным, и магнитотвёрдые материалы, которые сохраняют остаточную намагниченность. Постоянные магниты изготавливаются из «жёстких» ферромагнитных материалов, таких как альнико, и ферримагнитных материалов, таких как феррит, которые во время производства подвергаются специальной обработке в сильном магнитном поле для выравнивания их внутренней микрокристаллической структуры, что затрудняет их размагничивание. Чтобы размагнитить ''насыщенный магнит'', необходимо приложить определённое магнитное поле, которое зависит от коэрцитивной силы материала. «Жёсткие» материалы обладают высокой коэрцитивной силой, тогда как «мягкие» материалы имеют низкую коэрцитивную силу. Общая сила магнита измеряется его магнитным моментом или, альтернативно, общим магнитным потоком, который он создаёт. Локальная сила магнетизма в материале характеризуется его намагниченностью.
История и отличие от ферримагнетизма Исторически, термин ферромагнетизм использовался для любого материала, который мог проявлять спонтанную намагниченность: то есть чистый магнитный момент в отсутствие внешнего магнитного поля, любой материал, который может стать магнитом. Это общее определение до сих пор широко используется.
Однако в знаменательной статье 1948 года Луи Неель показал, что существует два уровня магнитного упорядочивания, которые приводят к такому поведению. Один из них — это ферромагнетизм в строгом смысле этого слова, когда все магнитные моменты выровнены — указывают в одном направлении. Другой — ферримагнетизм, при котором некоторые магнитные моменты указывают в противоположном направлении, но имеют меньший вклад, поэтому спонтанная намагниченность все ещё существует.
В частном случае, когда противоположные моменты полностью уравновешиваются друг друга, выравнивание известно как антиферромагнетизм. Следовательно, антиферромагнетики не обладают спонтанной намагниченностью.
Ферромагнитные материалы Температуры Кюри для некоторых кристаллических ферромагнетиков Материал Температура Кюри (К) Co 1388 Fe 1043 Fe 2 O 3 * 948 FeOFe 2 O 3 * 858 NiOFe 2 O 3 * 858 Cu OFe 2 O 3 * 728 MgOFe 2 O 3 * 713 Mn Bi 630 Ni 627 Nd 2 Fe 14 B 593 Mn Sb 587 MnOFe 2 O 3 * 573 Y3Fe5O12 * 560 CrO 2 386 Mn As 318 Gd 292 Tb 219 Dy 88 EuO 69* Ферримагнитный материал Ферромагнетизм — необычное свойство, которое проявляется только в нескольких веществах. Наиболее распространены переходные металлы - железо, никель, кобальт и их сплавы, а также сплавы редкоземельных металлов. Это свойство не только химического состава материала, но и его кристаллической структуры и микроструктуры. Существуют ферромагнитные металлические сплавы, компоненты которых сами по себе не являются ферромагнитными. Называют такие сплавы — сплавами Гейслера (в честь Фрица Гейслера). И наоборот, существуют немагнитные сплавы, такие как нержавеющая сталь, состоящие почти исключительно из ферромагнитных металлов.
Аморфные (некристаллические) ферромагнитные металлические сплавы можно получить путём очень быстрой закалки (охлаждения) жидкого сплава. Их преимущество состоит в том, что их свойства почти изотропны (не зависят от направления); это приводит к низкой коэрцитивной силе, низким гистерезисным потерям, высокой магнитной проницаемости и высокому удельному электрическому сопротивлению. Одним из таких типичных материалов является сплав состоящий из переходного металла и металлоидов. Например, из 80 % переходного металла (обычно Fe, Co или Ni) и 20 % металлоидного компонента (B, C, Si, P или Al), который снижает температуру плавления.
Редкоземельные магниты — относительно новый класс исключительно прочных ферромагнитных материалов. Они содержат лантаноиды, которые известны своей способностью нести большие магнитные моменты на сильно локализованных f-орбиталях.
В таблице перечислены ферромагнитные и ферримагнитные соединения, а также температура Кюри, выше которой они перестают проявлять спонтанную намагниченность.
Необычные материалы Большинство ферромагнитных материалов — металлы, поскольку электроны проводимости часто ответственны за ферромагнитные взаимодействия. Поэтому разработка ферромагнитных изоляторов, особенно мультиферроидных материалов, которые проявляют свойства как ферромагнитных, так и сегнетоэлектрических, является сложной задачей.
Ряд актинидных соединений — ферромагнетики при комнатной температуре или проявляют ферромагнетизм при охлаждении. PuP представляет собой парамагнетик с кристаллической решёткой кубической сингонии при комнатной температуре, но который претерпевает структурный переход в тетрагональную фазу с ферромагнитным порядком при охлаждении ниже его TC = 125 K. В ферромагнитном состоянии ось лёгкого намагничивания PuP ориентирована в направлении <100>.
В NpFe 2 легкая ось — <111>. Выше NpFe 2 также парамагнитен и обладает кубической кристаллической структурой. Охлаждение ниже температуры Кюри приводит к ромбоэдрической деформации, при которой ромбоэдрический угол изменяется от 60° (кубическая фаза) до 60,53°. На другом языке это искажение можно представить рассмотрев длины c вдоль единственной тригональной оси (после начала искажения) и a как расстояние в плоскости, перпендикулярной c. В кубической фазе это сводится к c/a=1. При температуре ниже Tc
Это самая большая деформация среди всех актиноидных соединений. NpNi 2 претерпевает аналогичное искажение решетки ниже с деформацией (43 ± 5) × 10 −4 . NpCo 2 оказывается ферримагнитным ниже 15 К.
В 2009 году группа физиков Массачусетского технологического института продемонстрировала, что литиевый газ, охлажденный до температуры менее одного кельвина, может проявлять ферромагнетизм. Команда исследователей охладила фермионный литий-6 до уровня менее (150 миллиардных долей кельвина), используя инфракрасное лазерного охлаждения. Это первая демонстрация ферромагнетизма в газе.
В 2018 году группа физиков из Университета Миннесоты продемонстрировала, что объёмно-центрированный тетрагональный рутений обладает ферромагнетизмом при комнатной температуре.
Ферромагнетизм индуцированный электрическим полем Недавние исследования показали, что ферромагнетизм может быть вызван в некоторых материалах электрическим током или напряжением. Антиферромагнитные LaMnO3 и SrCoO переключаются в ферромагнитное состояние током. В июле 2020 года учёные сообщили о создании ферромагнетизма в широко распространённом диамагнитном материале, пирите, под действием приложенного напряжения. В этих экспериментах ферромагнетизм ограничивался тонким поверхностным слоем.
Объяснение Теорема Бора — Ван Левена, доказанная в 1910-х годах, установила, что теории классической физики неспособны объяснить любую форму магнетизма, включая ферромагнетизм. Магнетизм теперь рассматривается как чисто квантово-механический эффект. Ферромагнетизм возникает из-за двух эффектов квантовой механики: спина и принципа исключения Паули .
Происхождение магнетизма Одно из фундаментальных свойств электрона (помимо того, что он несёт заряд) состоит в том, что он обладает магнитным дипольным моментом, то есть ведёт себя как крошечный магнит, создавая магнитное поле. Этот дипольный момент возникаeт из более фундаментального свойства электрона — его спина. Из-за своей квантовой природы, спин электрона может находиться в одном из двух состояний; с магнитным полем, направленным «вверх» или «вниз» (для любого выбора направлений вверх и вниз). Спин электронов в атомах — это основной источник ферромагнетизма, хотя существует вклад орбитального углового момента электрона относительно атомного ядра. Когда эти магнитные диполи в куске вещества выровнены (их спины указывают в одном направлении), их индивидуальное магнитные поля складываются для создания гораздо большего макроскопического поля.
Однако материалы, состоящие из атомов с заполненными электронными оболочками, имеют полный магнитный дипольный момент, равный нулю: поскольку все электроны находятся в парах с противоположными спинами. Тогда магнитный момент каждого электрона компенсируется противоположным моментом второго электрона в паре. Только атомы с частично заполненными оболочками (то есть неспаренные спины) могут иметь чистый магнитный момент, поэтому ферромагнетизм возникает только в материалах с частично заполненными оболочками. Согласно правилам Хунда, первые несколько электронов в оболочке преимущественно обладают одинаковыми спинами, тем самым увеличивая общий магнитный дипольный момент.
Эти неспаренные электроны (часто называемые просто «спинами», хотя они также обычно включают орбитальный угловой момент) имеют тенденцию выравниваться параллельно внешнему магнитному полю — эффект, называемый парамагнетизмом. Однако ферромагнетизм включает в себя дополнительное явление: в некоторых веществах магнитные диполи имеют тенденцию самопроизвольно выравниваться по направлению внешнего магнитного поля, вызывая такое явление, как спонтанное намагничивание, даже в отсутствии приложенного магнитного поля.
Обменное взаимодействие Когда два соседних атома имеют неспаренные электроны, то ориентация их спинов (параллельность или антипараллельность) влияет на то, могут ли эти электроны занимать одну и ту же орбиталь в результате обменного взаимодействия. Это, в свою очередь, влияет на расположение электронов и кулоновское взаимодействие и, следовательно, на разницу энергий между этими состояниями.