Ferromagnetyk to substancja o bardzo silnych własnościach magnetycznych. Własności te biorą się stąd, że każdy atom ferromagnetyka wytwarza własne pole magnetyczne. Co więcej atomy te mają tendencję do ustawiania się w ten sposób, aby ich pole magnetyczne miało ten sam kierunek, co pole magnetyczne atomów sąsiednich. W rezultacie tworzą się duże obszary (w porównaniu z rozmiarami pojedynczego atomu), w których pole magnetyczne ma stały kierunek. Te obszary nazywamy
domenami
magnetycznymi. Ale pole magnetyczne każdej z domen może być ustawione w zupełnie dowolnym kierunku. Dlatego ferromagnetyk może nie wytwarzać zewnętrznego pola magnetycznego, czyli może nie być magnesem. Gdy jednak umieścimy ferromagnetyk w zewnętrznym polu magnetycznym (np. pochodzącym od magnesu), wówczas domeny zaczynają ustawiać się zgodnie z tym zewnętrznym polem magnetycznym i ferromagnetyk sam staje się magnesem.
Co więcej, pole magnetyczne ferromagnetyka może być dużo większe od zewnętrznego pola magnetycznego, które uporządkowało domeny w naszym ferromagnetyku.
Ferromagnetyzm nie jest powszechną własnością materiałów w przyrodzie. Ferromagnetykami są żelazo, kobalt, nikiel. Najczęściej mamy do czynienia z ferromagnetykami w postaci stali (duża zawartość żelaza). Własności ferromagnetyczne stali (np. twardość magnetyczna - patrz niżej), zależą od składu chemicznego stali i sposobu jej obróbki.
Prześledźmy dokładniej to, co się dzieje wewnątrz ferromagnetyka
kliknij start lub A, B, C
Pod rysunkiem ilustrującym domeny magnetyczne widzimy rosnące pola magnetyczne: zewnętrzne, ferromagnetyka i sumaryczne.
Zależność między polem zewnętrznym a polem wypadkowym ilustruje wykres umieszczony z prawej strony. Jeżeli zastosujemy bardzo czułe przyrządy pomiarowe, to zaobserwujemy, że namagnesowanie ferromagnetyka w FAZIE B zwiększa się schodkowo
W naszym przykładzie jeden schodek odpowiada zmianie orientacji pola magnetycznego pojedynczej domeny. Najczęściej jednak ten efekt nie jest zauważalny i na wykresie widzimy gładką krzywą namagnesowania (wykres na koniec animacji).
W FAZIE C namagnesowanie już się nie zwiększa, ponieważ wszystkie domeny są już przestawione. Wykres robi się płaski. Mówimy, że namagnesowanie osiągnęło stan nasycenia. Krzywa widoczna na wykresie nosi nazwę krzywej namagnesowania pierwotnego.
Powstaje teraz pytanie, co się stanie, gdy zewnętrzne pole zacznie zanikać (Faza D)? Czy namagnesowanie ferromagnetyka również zniknie? Otóż nie do końca. Domeny raz uporządkowane niechętnie wracają do pierwotnego chaosu. Skutek jest taki, że nawet, gdy zewnętrzne pole magnetyczne zmniejszy się do zera, część domen nadal jest uporządkowana, zatem ferromagnetyk nadal wytwarza pole magnetyczne. Stał się więc magnesem.
Namagnesowanie ferromagnetyka po usunięciu zewnętrznego pola magnetycznego nazywamy namagnesowaniem trwałym lub pozostałością magnetyczną.
Jeżeli teraz pojawi się zewnętrzne pole magnetyczne, ale skierowane przeciwnie do pola magnetycznego ferromagnetyka, wówczas będziemy obserwować stopniowe rozmagnesowanie naszej próbki (Faza E). Dla pewnej wartości zewnętrznego pola magnetycznego namagnesowanie próbki znika całkowicie. Tę wartość zewnętrznego pola magnetycznego nazywamy polem rozmagnesowującym lub koercją.
Jeżeli zewnętrzne pole magnetyczne rośnie dalej w tym kierunku próbka ferromagnetyka znów się magnesuje (Faza F). Po osiągnięciu nasycenia cały proces powtarza się.
W efekcie otrzymaliśmy wykres nazywany pętlą histerezy. W przypadku różnych materiałów pętla histerezy może wyglądać różnie. Na wykresach poniżej widzimy dwa przykłady histerezy dla różnych materiałów. Wykres z lewej strony reprezentuje substancję, która łatwo się namagnesowuje (wystarczy małe zewnętrzne pole magnetyczne, aby osiągnąć nasycenie), ale równie łatwo się rozmagnesowuje (mała koercja). Taki ferromagnetyk jest nazywany miękkim. Drugi ferrromagnetyk, jest tzw. twardym ferromagnetykiem. Pętla histerezy dla tego ferromagnetyka jest wyraźnie szersza, co oznacza że pole rozmagnesowujące w tym przypadku jest stosunkowo duże.
Namagnesowany ferromagnetyk wytwarza własne pole magnetyczne. Jego namagnesowanie nazywamy namagnesowaniem trwałym. Jednak trwałość tego namagnesowania nie jest absolutna. Wiemy już, że można rozmagnesować ferromagnetyk umieszczając go w zewnętrznym polu magnetycznym skierowanym przeciwnie do kierunku pola naszego ferromagnetyka o odpowiedniej wartości (koercja). Jest jeszcze inny, bardziej drastyczny sposób zniszczenia namagnesowania ferromagnetyka. Tym sposobem jest zwiększanie temperatury.
W miarę wzrostu temperatury atomy ferromagnetyka zaczynają coraz silniej drgać. Gdy temperatura osiąga pewną wartość zwaną punktem lub temperaturą Curie, wówczas siły utrzymujące uporządkowanie atomów w domenach są zbyt małe, aby domeny mogły dalej istnieć. Następuje całkowity rozpad domen magnetycznych a pola magnetyczne poszczególnych poszczególnych atomów są skierowane teraz chaotycznie w różnych kierunkach. Jak więc widać, nie dość że zniknęło namagnesowanie, to jeszcze zniszczona została struktura domenowa. Nasza substancja przestała być ferromagnetykiem.
Substancję, w której poszczególne atomy wytwarzają pole magnetyczne, ale pola te ukierunkowane są chaotycznie nazywamy paramagnetykiem.