Feromagnetizam

Feromagnetizam je fizikalna teorija koja objašnjava kako materijali postaju magnetima.

Histerezisna kriva: kriva prvobitne magnetizacije je označena plavom bojom, dok je kasnije ponašanje pri obrnutoj magnetizaciji iste jačine označeno zelenom bojom.

Tri primera uređenosti linearnog niza elementarnih magnetnih momenata.

Feromagnetizam (od lat. ferrum = gvožđe + magnet) je forma magnetizma kojom najčešće ilustrujemo ovu pojavu. Javlja se kod nekih metala: gvožđa, kobalta i nikla. Materijal je feromagnetski ako u prisustvu spoljnjeg magnetskog polja i sam postaje magnet, tako što se njegovi elementarni magneti (magnetni dipoli) orijentišu u pravcu spoljnjeg polja tako što na dipole deluje moment magnetizacije m.

Karakteristika feromagnetizma je histerezisna kriva u obliku slova S koja opisuje magnetizaciju feromagnetnih materijala pod uticajem spoljnog magnetskog polja. Oblik ove krive je posledica:

• magnetskog usmeravanja elektromagneta na nivou atoma
• usmeravanja magnetnih domena koji se mere u mikrometrima i nanometrima

Unutar jednog magnetnog domena svi elementarni magneti su usmereni u istom pravcu. Kada materijal nije magnetizovan, elementarni magneti su usmereni u svim pravcima. Kada se takav materijal izloži magnetnom polju, magnetni domeni se sve više orijentišu u pravcu spoljnjeg magnetnog polja. Kada se svi domeni usmere u tom pravcu, dalja magnetizacija materijala više nije moguća. Tada kažemo da je došlo do zasićenja.

Kada se ukloni spoljno magnetno polje, domeni se delom dezorijentišu i magnetizacija opada. Feromagnetni materijal pokazuje osobinu remanentne magnetizacije. Da bi se materijal razmagnetisao, potrebno je primeniti spoljno magnetno polje suprotnog smera.

Magnetno uređenje može se poremetiti zagrevanjem. Tada feromagnetni materijali postaju paramagnetni. Temperatura na kojoj nestaje magnetna uređenost materijala naziva se Kirijeva temperatura $T_{\mathrm {C} }$ (dobila ime po Pjeru Kiriju).

Fizičko objašnjenje

Nosioci elementarnih magnetskih momenata su spinovi elektrona. Kao i kod drugih magnetnih fenomena čvrstih tela i kod feromagnetizma su magnetne sile suviše slabe da bi bile odgovorne za uređenost spinova. Paralelna uređenost magnetskih momenata je uz to energetski nepovoljna. Sile odgovorne za uređenost spinova su takozvane sile izmene, koje su povezane sa mogućim stanjima sistema od dva elektrona i Paulijevim principom.

Može se reći da: „Uređenost magnetskih momenata posledica je kvantnomehaničke sile izmene, a ne klasične magnetne sile“.

Po Paulijevom principu asimetričnoj talasnoj funkciji položaja odgovara simetrična talasna funkcija spina (na primer, kod paralelnih spinova u sistemu od dva elektrona). Može se pokazati da je srednje rastojanje čestica veće u slučaju nesimetrične talasne funkcije položaja, i stoga je za iste čestice niža sila elektrostatičkog odbijanja. Sile izmene dovode do efektivnog smanjenja potencijalne energije. Elektroni sa paralelnim spinovima, po Paulijevom principu, ne mogu da ostanu u osnovnom stanju i moraju da pređu u niz viših energetskih stanja, što povećava njihovu kinetičku energiju. Spontano paralelno uređenje magnetnih spinova se dakle dešava onda kada je smanjenje potencijalne energije više nego kompenzovano povećanjem kinetičke energije.

Magnetna permeabilnost $\mu =\mu _{0}(1+\chi )$ i magnetna susceptibilnost $\chi$ nisu konstantne kod feromagneta, već predstavljaju komplikovanu funkciju jačine magnetskog polja i zavise od istorije magnetizacije. Diferencijalna magnetna susceptibilnost $\chi$ se koristi da prikaže zavisnost magnetizacije od magnetskog polja. Ona nestaje u području zasićenja.

Magnetizacija je povezana sa gustinom magnetskog fluksa ${\vec {B}}$ jednačinama

${\vec {B}}=\mu _{0}({\vec {H}}+{\vec {M}})=\mu {\vec {H}}$

${\vec {M}}=\chi {\vec {H}}$.

Kirijeva temperatura materijala sa feromagnetnim svojstvima

Supstanca	$T_{\mathrm {C} }$ u K
Co	1395
Fe	1033
Ni	627
CrO2	390
Gd	289
Dy	85
EuO	70
Ho	20

Vidi još

• Dijamagnetizam
• Paramagnetizam