Магниттік тартылыстың және материалдардың магнит болу механизмі

Кіріспе

Материалдардың магниттерге айналуы және тартылуының механизмі

Ферромагнетизм – белгілі бір материалдардың (мысалы, темір) қасиеті, ол айқын, байқалатын магниттік өткізгіштік пен көп жағдайда магниттік коэрцитивтілікті қамтамасыз етеді, бұл материалға тұрақты магнит жасауға мүмкіндік береді. Ферромагниттік материалдар магнитке айқын тартылады, бұл олардың жоғары магниттік өткізгіштігінің салдары. Магниттік өткізгіштік – сыртқы магнит өрісінің әсерінен материалдың магниттелуін сипаттайды. Мысалы, болат пластинаның ішіндегі уақытша магниттелу, оның магнитке тартылуының себебі болып табылады. Осы болат пластинасы тұрақты магниттелуге ие бола ма, жоқ па, ол қолданылған өрістің күшіне және осы нақты болаттың коэрцитивтілігіне байланысты (бұл болаттың химиялық құрамы мен оның өткенге дейін жасаған жылулық өңдеуіне байланысты). Физикада материалдың магниттік қасиеттерінің бірнеше түрі анықталған. Ферромагнетизм (сондай-ақ оған ұқсас ферримагнетизм) ең күшті түрі және күнделікті магниттік құбылыстардың себебі болып табылады. Ферромагниттік материалдан жасалған тұрақты магниттің мысалы – тоңазытқыштағы магнит. Заттар парамагнетизм, диамагнетизм және антиферромагнетизм сияқты магниттік қасиеттердің басқа үш түріне де әлсіз жауап береді, бірақ олардың күші көбінесе өте аз болады, сондықтан оларды зертханалық құралдармен ғана анықтауға болады. Тұрақты магниттер (сыртқы магнит өрісімен магниттелген және өріс алынғаннан кейін де магниттік қасиетін сақтайтын материалдар) ферромагниттік немесе ферримагниттік болып табылады, сондай-ақ оларға тартылатын материалдар да осы қасиетке ие. Ферромагниттік материалдардың саны салыстырмалы түрде аз. Олар әдетте темір, кобальт, никель және кейбір сирек кездесетін металдардың таза түрлері, қорытпалары немесе қосылыстары болып табылады. Ферромагнетизм өнеркәсіптік қолданыстарда және қазіргі заманғы технологияларда маңызды рөл атқарады, электромагниттер, электр моторлары, генераторлар, трансформаторлар, магниттік жад (магниттік таспалар мен қатты дискілерді қоса алғанда) және темір материалдарды бұзбай тексеру сияқты электрлік және электромеханикалық құрылғылардың негізін құрайды. Ферромагниттік материалдар магниттік жұмсақ материалдарға (мысалы, оттырылған темір) және магниттік қатты материалдарға бөлінеді. Магниттік жұмсақ материалдар магниттелген күйде ұзақ сақтамайды, ал магниттік қатты материалдар керісінше. Тұрақты магниттер қатты ферромагниттік материалдардан (мысалы, алнико) және ферримагниттік материалдардан (мысалы, феррит) жасалады, олар өндіріс кезінде күшті магнит өрісінде арнайы өңдеуден өтеді, бұл олардың ішкі микрокристалл құрылымын реттеуге және оларды магниттен шығаруды қиындатуға мүмкіндік береді. Қаныққан магнитті магниттен шығару үшін магнит өрісін қолдану қажет. Магниттендірудің басталуы материалдың коэрцитивтілігіне байланысты. Магниттік қатты материалдардың коэрцитивтілігі жоғары, ал магниттік жұмсақ материалдардың коэрцитивтілігі төмен. Магниттің жалпы күші оның магниттік моментімен немесе жалпы магниттік ағысымен өлшенеді. Материалдағы магниттік күш оның магниттелуі арқылы өлшенеді.

Ferromagnetism is a property of certain materials (such as iron) that results in a significant, observable magnetic permeability, and in many cases, a significant magnetic coercivity, allowing the material to form a permanent magnet. Ferromagnetic materials are noticeably attracted to a magnet, which is a consequence of their substantial magnetic permeability. Magnetic permeability describes the induced magnetization of a material due to the presence of an external magnetic field. For example, this temporary magnetization inside a steel plate accounts for the plate's attraction to a magnet. Whether or not that steel plate then acquires permanent magnetization depends on both the strength of the applied field and on the coercivity of that particular piece of steel (which varies with the steel's chemical composition and any heat treatment it may have undergone). In physics, multiple types of material magnetism have been distinguished. Ferromagnetism (along with the similar effect ferrimagnetism) is the strongest type and is responsible for the common phenomenon of everyday magnetism. An example of a permanent magnet formed from a ferromagnetic material is a refrigerator magnet. Substances respond weakly to three other types of magnetism—paramagnetism, diamagnetism, and antiferromagnetism—but the forces are usually so weak that they can be detected only by lab instruments. Permanent magnets (materials that can be magnetized by an external magnetic field and remain magnetized after the external field is removed) are either ferromagnetic or ferrimagnetic, as are the materials that are attracted to them. Relatively few materials are ferromagnetic. They are typically pure forms, alloys, or compounds of iron, cobalt, nickel, and certain rare earth metals. Ferromagnetism is vital in industrial applications and modern technologies, forming the basis for electrical and electromechanical devices such as electromagnets, electric motors, generators, transformers, magnetic storage (including tape recorders and hard disks), and nondestructive testing of ferrous materials. Ferromagnetic materials can be divided into magnetically soft materials (like annealed iron), which do not tend to stay magnetized, and magnetically hard materials, which do. Permanent magnets are made from hard ferromagnetic materials (such as alnico) and ferrimagnetic materials (such as ferrite) that are subjected to special processing in a strong magnetic field during manufacturing to align their internal microcrystalline structure, making them difficult to demagnetize. To demagnetize a saturated magnet, a magnetic field must be applied. The threshold at which demagnetization occurs depends on the coercivity of the material. Magnetically hard materials have high coercivity, whereas magnetically soft materials have low coercivity. The overall strength of a magnet is measured by its magnetic moment or, alternatively, its total magnetic flux. The local strength of magnetism in a material is measured by its magnetization.

Шарттары

Тарихи тұрғыдан алғанда, ферромагнетизм термині спонтанды түрде магниттелуге қабілетті кез келген материалды сипаттау үшін қолданылған: сыртқы магнит өрісі болмағандағы жалпы магниттік момент; яғни, магнитке айнала алатын кез келген материал. Бұл анықтама қазірге дейін жиі қолданылады. 1948 жылы Луи Нель жариялаған маңызды зерттемесінде магниттік бағыттың екі деңгейі осы құбылыстың себебін тудыратынын көрсетті. Бірі – қатаң мағынадағы ферромагнетизм, онда барлық магниттік моменттер бір бағытта болады. Екіншісі – ферримагнетизм, онда кейбір магниттік моменттер кері бағытта жүреді, бірақ олардың әсері аз болғандықтан спонтанды магниттелу сақталады. Егер кері бағытталған моменттер толығымен теңесетін болса, онда бұл бағытталу антиферромагнетизм деп аталады; антиферромагнетиктерде спонтанды магниттелу болмайды.

Материалдар

+ Кейбір кристалдық ферромагниттік материалдардың Кюри температурасы Материал Кюри температурасы (температура) (K) Co 1388 Fe 1043 Fe2O3 948 NiOFe2O3 858 CuOFe2O3 728 MgOFe2O3 713 Mn Bi 630 Ni 627 Nd2Fe14 B 593 MnSb 587 MnOFe2O3 573 Y3Fe5O12 560 CrO2 386 MnAs 318 Gd 292 Tb 219 Dy 88 EuO 69

Ферромагнетизм – тек бірнеше затта ғана кездесетін сирек қасиет. Көбінесе таралғандары – темір, никель және кобальт сияқты өтпелі металдар, сондай-ақ олардың қорытпалары және сирек кездесетін металдардың қорытпалары. Бұл қасиет материалдың химиялық құрамына ғана емес, сонымен қатар оның кристалдық құрылымы мен микроқұрылымына байланысты. Ферромагнетизмнің пайда болуына себеп – осы материалдардың d блогында (темір және оған ұқсас элементтер үшін) немесе f блогында (сирек кездесетін металдар үшін) жұптаспаған көптеген электрондарының болуы, бұл Хунд ережесінің максималды көптік принципімен түсіндіріледі. Фриц Гейслер есімімен аталған, құрамында ферромагниттік емес элементтер болатын, бірақ ферромагниттік қасиеттерді көрсететін Гейслер қорытпалары да бар. Керісінше, тот баспайтын болат сияқты, негізінен ферромагниттік металдардан тұратын, магниттік қасиеттері жоқ қорытпалар да кездеседі. Аморфты (кристалдық емес) ферромагниттік металл қорытпаларын қорытпаны өте жылдам салқындату арқылы жасауға болады. Бұлардың артықшылығы – олардың қасиеттері дерлік изотропты болады (кристалл өсіне қарай бағытталмайды); бұл төмен коэрцитивтілікке, төмен гистерезис шығындарына, жоғары өткізгіштікке және жоғары электр кедергісіне әкеледі. Мұндай материалдардың бір түрі – 80% дейін өтпелі металлдан (әдетте Fe, Co немесе Ni) және балқу температурасын төмендететін металлоидты компоненттен (B, C, Si, P немесе Al) тұратын өтпелі металл-металлоид қорытпасы. Жақында ғана ашылған, өте күшті ферромагниттік материалдар класы – сирек кездесетін жер магниттері. Олардың құрамында жақсы локалданылған f орбиталдарында үлкен магниттік моменттерді қабылдауға қабілетті лантаноид элементтері бар. Кестеде ферромагниттік және ферримагниттік қосылыстардың таңдамасы, сондай-ақ олардың Кюри температурасы (TC) көрсетілген, одан жоғары температурада спонтанды магниттелу тоқтатылады.

Әдеттегі емес материалдар

Көптеген ферромагниттік материалдар металдар болып табылады, себебі өткізгіш электрондар көбінесе ферромагниттік өзара әрекеттесуді қамтамасыз етеді. Сондықтан ферромагниттік оқшаулағыштарды, әсіресе ферромагниттік және ферроэлектрлік қасиеттері бар мультиферроидты материалдарды жасау қиындық тудырады. Бірқатар актинид қосылыстары бөлме температурасында ферромагниттік болады немесе салқындатылғанда ферромагнетизмді көрсетеді. PuP бөлме температурасында кубтық симметриясы бар парамагнит, бірақ 1=TC = 125 K-тан төмен салқындатылғанда тетрагональдық күйге құрылымдық өзгеруге ұшырайды және ферромагниттік рет орнатылады. NpFe2-де оңай ось ⟨111⟩ болып табылады. TC ≈ 500 K-тан жоғары NpFe2 парамагниттік және кубикалық болып табылады. Кюри температурасынан төмен салқындату ромбоэдрлік деформацияны тудырады, онда ромбоэдр бұрышы 60° (кубикалық фаза) -дан 60,53°-қа өзгереді. Бұл деформацияны сипаттаудың тағы бір жолы – бұрмалау басталғаннан кейін бірегей үшбұрышты ось бойындағы c ұзындығын және c-ге перпендикуляр жазықтықтағы a қашықтығын қарастыру. Кубикалық фазада бұл төмендейді, Кюри температурасынан төменде кез келген актинид қосылысындағы ең үлкен деформацияны құрайды. NpNi2 да төменде ұқсас тор деформациясына ұшырайды, деформациясы (43 ± 5) × 10−4 құрайды. Команда фермионды литий-6 инфрақызыл лазерлік салқындату арқылы 150 нК-қа (кельвиннің 150 миллиард бөлігі) дейін салқындатты. Бұл демонстрация газда ферромагнетизмнің алғашқы рет көрсетілгені болып табылады. Сирек жағдайларда, ферромагнетизм тек s- және p-блок элементтерінен тұратын қосылыстарда байқалуы мүмкін, мысалы, рубидий сесквиоксиді. 2018 жылы Миннесота университетінің физиктері денеорталық тетрагональды рутенийдің бөлме температурасында ферромагнетизмді көрсететінін көрсетті.

Электрлік индукцияланған ферромагнетизм

Соңғы зерттеулер көрсеткендей, кейбір материалдарда электр тогы немесе кернеу арқылы ферромагнетизм туындауы мүмкін. Антиферромагниттік LaMnO3 және SrCoO тоқ арқылы ферромагниттік күйге өтті. 2020 жылдың шілдесінде ғалымдар көп кездесетін диамагниттік материал – темір пиритте ("ақылсыз алтын") кернеу қолдану арқылы ферромагнетизмді тудырғанын хабарлады. Бұл тәжірибелерде ферромагнетизм тек жұқа беттік қабатпен ғана шектелді.

Түсіндірме

1910 жылдары ашылған Бохр-Ван Лиувен теоремасы классикалық физика теорияларының материалдық магнетизмнің, оның ішінде ферромагнетизмнің кез келген түрін түсіндіре алмайтынын көрсетті; түсіндірме атомдардың кванттық механикалық сипаттамасына негізделген. Кванттық механика бойынша, атомның әрбір электронының спин жағдайына сәйкес магниттік моменті болады. Паулидің тыйым салу принципі, кванттық механиканың тағы бір салдары, атомдық орбитальдардағы электронның спин жағдайларын шектейді, нәтижесінде атомның электрондық магниттік моменттері көбінесе немесе толығымен өшіп қалады. Атомның жалқы магниттік моменті осы өшіру толық болмаған жағдайда пайда болады.

Атомдық магнетизмнің пайда болуы

Электронның негізгі қасиеттерінің бірі (оның заряд тасуынан басқа) – оның магниттік дипольдік моменті болуы, яғни ол кішкентай магнит сияқты әрекет етеді және магниттік өріс тудырады. Бұл дипольдік момент электронның негізгі қасиетінен туындайды: оның кванттық механикалық спинінен. Кванттық табиғатына байланысты электронның спині тек екі күйдің бірінде болуы мүмкін, мұнда магниттік өріс кез келген бағытқа қарай ("жоғары" немесе "төмен") бағытталуы мүмкін. Атомдардағы электрон спині ферромагнетизмнің басты себебі болып табылады, бірақ электронның ядроның айналасындағы орбиталық бұрыштық импульсы да әсер етеді. Егер материяның бір бөлігіндегі магниттік дипольдер бір бағытта орналасса, олардың әрқайсысының өте кішкентай магниттік өрістері қосылып, әлдеқайда үлкен макроскопиялық өріс құрайды. Дегенмен, толық электрондық қабықшалары бар атомдардан жасалған материалдардың жалпы дипольдік моменті нөлге тең: себебі электрондардың барлығы қарама-қарсы спиндермен жұптасқан, сондықтан әрбір электронның магниттік моменті жұптың екінші электронының қарама-қарсы моментімен өшіріледі. Тек ішінара толыққан қабықшалары бар атомдар (яғни жұпталмаған спиндер) ғана таза магниттік моментке ие бола алады, сондықтан ферромагнетизм тек ішінара толыққан қабықшалары бар материалдарда ғана пайда болады. Хунд ережелеріне сәйкес, қабықтағы алғашқы бірнеше электрондардың спині бірдей болуға бейім, осылайша жалпы дипольдік момент артады. Бұл жұпталмаған дипольдер (көбінесе жай ғана "спиндер" деп аталады, тіпті олар көбінесе орбиталық бұрыштық импульсты да қамтиды) сыртқы магниттік өріске параллель бағытталуға бейімделеді, бұл парамагнетизм деп аталатын макроскопиялық эффектіге әкеледі. Бірақ ферромагнетизмде көршілес атомдардың магниттік дипольдері арасындағы магниттік өзара әсер күшті болады, олар қолданылатын өріске қарамастан бір-бірімен сәйкестендіріледі, нәтижесінде домендер деп аталатын спонтанды магниттеу пайда болады. Бұл ферромагнетиктердің жоғары магниттік өткізгіштігіне және магниттік қатаң материалдардың тұрақты магниттер құру қабілетіне әкеледі.

One of the fundamental properties of an electron (besides that it carries charge) is that it has a magnetic dipole moment, i. e., it behaves like a tiny magnet, producing a magnetic field. This dipole moment comes from a more fundamental property of the electron: its quantum mechanical spin. Due to its quantum nature, the spin of the electron can be in one of only two states, with the magnetic field either pointing "up" or "down" (for any choice of up and down). Electron spin in atoms is the main source of ferromagnetism, although there is also a contribution from the orbital angular momentum of the electron about the nucleus. When these magnetic dipoles in a piece of matter are aligned (point in the same direction), their individually tiny magnetic fields add together to create a much larger macroscopic field. However, materials made of atoms with filled electron shells have a total dipole moment of zero: because the electrons all exist in pairs with opposite spin, every electron's magnetic moment is cancelled by the opposite moment of the second electron in the pair. Only atoms with partially filled shells (i. e., unpaired spins) can have a net magnetic moment, so ferromagnetism occurs only in materials with partially filled shells. Because of Hund's rules, the first few electrons in a shell tend to have the same spin, thereby increasing the total dipole moment. These unpaired dipoles (often called simply "spins", even though they also generally include orbital angular momentum) tend to align in parallel to an external magnetic field leading to a macroscopic effect called paramagnetism. In ferromagnetism, however, the magnetic interaction between neighboring atoms' magnetic dipoles is strong enough that they align with each other regardless of any applied field, resulting in the spontaneous magnetization of so called domains. This results in the large observed magnetic permeability of ferromagnetics, and the ability of magnetically hard materials to form permanent magnets.

Биржалық өзара іс-қимыл

Екі жақын атомда жұпсыз электрон болғанда, электрон спиндерінің параллель немесе антипараллель болуы, алмасу өзара әрекеттесуі деп аталатын кванттық механикалық эффектінің нәтижесінде электрондардың бірдей орбитада болуына әсер етеді. Бұл өз кезегінде электронның орналасуына, Кулон (электростатикалық) өзара әрекеттесуіне және осы күйлер арасындағы энергия айырмашылығына әсер етеді. Алмасу өзара әрекеттесуі Паулидің тыйым салу принципімен байланысты, ол бірдей спинді екі электронның бірдей кеңістіктік жағдайда (орбитальда) бола алмайтынын көрсетеді. Бұл спин-статистика теоремасының және электрондардың фермиондар екендігінің салдары. Сондықтан, белгілі бір жағдайларда, жақын атомдардың жұпталмаған сыртқы валентті электрондарының орбитальдары жақын келгенде, олардың электр зарядының кеңістіктегі таралуы электрондардың параллель спиндері болғанда, қарама-қарсы спиндеріне қарағанда бір-бірінен алшақ болады. Бұл электрондардың спиндері параллель болғандағы электростатикалық энергиясын, спиндері антипараллель болғандағы энергиясымен салыстырғанда төмендетеді, сондықтан параллель спин күйі тұрақтырақ болады. Бұл энергия айырмашылығы алмасу энергиясы деп аталады. Қарапайым тілмен айтқанда, бір-бірін итермелейтін жақын атомдардың сыртқы электрондары спиндерін параллель бағытта реттеу арқылы бір-бірінен алшақтауы мүмкін, сондықтан осы электрондардың спиндері параллельдеуге бейім. Бұл энергия айырмашылығы, диполь бағдарына байланысты дипольдерді антипараллель бағытта реттеуге бейім болатын магниттік диполь-диполь өзара әрекеттесуіне байланысты энергия айырмашылығынан әлдеқайда үлкен болуы мүмкін. Кейбір допингтелген жартылай өткізгіш оксидтерде RKKY өзара әрекеттесуі спинтроникалық материалдарды зерттеуде маңызды құбылыс болып табылатын, мерзімді, ұзақ қашықтықтағы магниттік өзара әрекеттесуді тудырады. Алмасу өзара әрекеттесуі бәсекелес диполь-диполь өзара әрекеттесуінен әлдеқайда күшті болатын материалдар жиі магниттік материалдар деп аталады. Мысалы, темірде (Fe) алмасу күші дипольдік өзара әрекеттесуден 1000 есе күшті. Сондықтан Кюри температурасынан төмен, ферромагниттік материалдағы барлық дипольдер дерлік бір бағытта болады. Ферромагнетизмнен басқа, алмасу өзара әрекеттесуі магниттік қатты денелерде болатын атомдық магниттік моменттердің басқа да түрлерінің спонтанды реттелуіне де жауапты: антиферромагнетизм және ферримагнетизм. Әртүрлі ферромагниттік, ферримагниттік және антиферромагниттік заттарда магнетизмді тудыратын әртүрлі алмасу өзара әрекеттесу механизмдері бар – бұл механизмдерге тікелей алмасу, RKKY алмасу, қос алмасу және супер алмасу кіреді.

When two nearby atoms have unpaired electrons, whether the electron spins are parallel or antiparallel affects whether the electrons can share the same orbit as a result of the quantum mechanical effect called the exchange interaction. This in turn affects the electron location and the Coulomb (electrostatic) interaction and thus the energy difference between these states. The exchange interaction is related to the Pauli exclusion principle, which says that two electrons with the same spin cannot also be in the same spatial state (orbital). This is a consequence of the spin–statistics theorem and that electrons are fermions. Therefore, under certain conditions, when the orbitals of the unpaired outer valence electrons from adjacent atoms overlap, the distributions of their electric charge in space are farther apart when the electrons have parallel spins than when they have opposite spins. This reduces the electrostatic energy of the electrons when their spins are parallel compared to their energy when the spins are antiparallel, so the parallel spin state is more stable. This difference in energy is called the exchange energy. In simple terms, the outer electrons of adjacent atoms, which repel each other, can move further apart by aligning their spins in parallel, so the spins of these electrons tend to line up. This energy difference can be orders of magnitude larger than the energy differences associated with the magnetic dipole–dipole interaction due to dipole orientation, which tends to align the dipoles antiparallel. In certain doped semiconductor oxides, RKKY interactions have been shown to bring about periodic longer range magnetic interactions, a phenomenon of significance in the study of spintronic materials. The materials in which the exchange interaction is much stronger than the competing dipole–dipole interaction are frequently called magnetic materials. For instance, in iron (Fe) the exchange force is about 1,000 times stronger than the dipole interaction. Therefore, below the Curie temperature, virtually all of the dipoles in a ferromagnetic material will be aligned. In addition to ferromagnetism, the exchange interaction is also responsible for the other types of spontaneous ordering of atomic magnetic moments occurring in magnetic solids: antiferromagnetism and ferrimagnetism. There are different exchange interaction mechanisms which create the magnetism in different ferromagnetic, ferrimagnetic, and antiferromagnetic substances—these mechanisms include direct exchange, RKKY exchange, double exchange, and superexchange.

Магниттік анизотропия

Айырбастау өзара әрекеттесуі спиндерді бір-біріне қатысты ұстаса да, оларды нақты бір бағытта бағыттай алмайды. Магниттік анизотропия болмаса, магниттегі спиндер жылулық құбылуларға жауап ретінде кездейсоқ бағыттарға өтеді, соның салдарынан магнит суперпарамагниттік болады. Магниттік анизотропияның бірнеше түрі бар, олардың ең көп таралғаны – магнитокристалликалық анизотропия. Бұл – энергияның кристалдық торға қатысты магниттелу бағытына тәуелділігі. Анизотропияның тағы бір жиі кездесетін көзі – кері магнитострикция, ол ішкі кернеулердің әсерінен туындайды. Жеке доменді магниттер бөлшектің пішінінің магнитостатикалық әсерінен пішінге байланысты анизотропияға ие болуы мүмкін. Магниттің температурасы жоғарылағанда анизотропия төмендейді, көбінесе суперпарамагнетизмге өтуге алып келетін белгілі бір блокада температурасы болады.

Магниттік домендер

Магниттік дипольдардың ферромагниттік материалдарда спонтанды түрде бағытталуы, ферромагниттік материалдың кез келген бөлігінде күшті магниттік өріс болуы керек екенін көрсетеді, себебі барлық спиндер бір бағытта бағытталған; алайда, темір және басқа ферромагниттер көбінесе "магниттелмеген" күйде табылады. Бұл себебі, ферромагниттік материалдың көлемді бөлігі магниттік домендер деп аталатын (немесе Вайс домендері) кішкентай аймақтарға бөлінеді. Әрбір доменнің ішінде спиндер бағытталған, бірақ егер көлемді материал ең төменгі энергиялық конфигурацияда болса (яғни "магниттелмеген"), жеке домендердің спиндері әртүрлі бағытта көрсетіп, олардың магниттік өрістері бір-бірін жояды, сондықтан көлемді материалда ешқандай жалпы, макроскопикалық магниттік өріс болмайды. Ферромагниттік материалдар магниттік домендерге спонтанды түрде бөлінеді, өйткені алмасу өзара әрекеттесуі – қысқа қашықтықтағы күш, сондықтан көптеген атомдардың арасындағы үлкен қашықтықта магниттік дипольдердің энергиясын азайту үшін қарама-қарсы бағытта бағытталуға бейімділігі басым болады. Егер ферромагниттік материалдың барлық дипольдері параллель бағытталған болса, ол өзінің айналасындағы кеңістікке таралатын үлкен магниттік өріс тудырады. Бұл көптеген магнитостатикалық энергияны қамтиды. Материал осы энергияны әртүрлі бағыттағы көптеген домендерге бөліну арқылы азайта алады, соның салдарынан магниттік өріс материалдағы шағын, локальді өрістермен шектеледі, бұл өрістің көлемін азайтады. Домендер бірнеше молекула қалыңдығындағы жұқа домен қабырғаларымен бөлінеді, онда дипольдердің магниттелу бағыты бір доменнің бағытынан екіншісіне тегіс айналады.

Магниттелген материалдар

Осылайша, ең төменгі энергия күйіндегі ("магнетизделмеген") темірдің бөлшегі әдетте аз немесе мүлдем магнит өрісіне ие болмайды. Дегенмен, материалдағы магниттік домендер бекітілмеген; олар – электрондардың спиндері өз магнит өрістерінің әсерінен спонтанды түрде бағытталған аймақтар ғана, сондықтан сыртқы магнит өрісі оларды өзгерте алады. Егер материалға жеткілікті күшті сыртқы магнит өрісі қолданылса, домен қабырғалары қозғалады. Бұл процесте, бір домендегі қабырғаға жақын атомдардағы электрондардың спиндері сыртқы өрістің әсерінен екінші домендегі электрондармен бір бағытта бұрылып, домендерді қайта бағыттайды, нәтижесінде дипольдердің басым бөлігі сыртқы өріспен сәйкес келеді. Сыртқы өріс алынғанда домендер бағытталып қалады және материалдың айналасындағы кеңістікке таралатын өздерінің магнит өрісін құру үшін бірігеді, осылайша "тұрақты" магнит пайда болады. Домендер өріс алынғанда бастапқы ең төменгі энергиялық конфигурациясына қайта оралмайды, себебі домен қабырғалары кристалл торындағы кемшіліктерге "қарсы келіп" немесе "ілігіп" қалады, осылайша олардың параллель бағытын сақтайды. Бұл Баркхаузен эффектісімен көрсетіледі: магниттеу өрісі өзгерер кезде материалдың магниттелуі мыңдаған кішкентай үзілісті секірулермен өзгереді, себебі домен қабырғалары кенеттен кемшіліктерден "өтеді". Сыртқы өріске тәуелді магниттелу гистерезис қисығымен сипатталады. Магниттелген ферромагниттік материалдың бір бөлігіндегі бағытталған домендердің бұл күйі ең төменгі энергиялық конфигурация болмаса да, ол метатұрақты және ұзақ уақыт бойы сақталуы мүмкін, теңіз түбінен алынған миллиондаған жылдар бойы магниттелуін сақтаған магнетит үлгілері осыны көрсетеді. Магниттелген материалды қыздырып, содан кейін салқындату (қайта кристалдандыру), соққыға ұшырату немесе демагнетизациялау катушкасынан жылдам өзгеретін магнит өрісін қолдану домен қабырғаларын бекітілген күйінен босатуға көмектеседі, ал домен шекаралары сыртқы магнит өрісінің аз болуымен байланысты төменгі энергиялық конфигурацияға оралуға бейім, осылайша материалды демагнетизациялайды. Коммерциялық магниттер "қатты" ферромагниттік немесе ферримагниттік материалдардан жасалады, олардың магниттік анизотропиясы өте жоғары, мысалы, альнико және ферриттер, олар магниттелудің кристаллдың бір осьіне, "жеңіл оське" бағытталуға өте бейім. Дайындау кезінде материалдар күшті магнит өрісінде әртүрлі металлургиялық процестерге ұшырайды, бұл кристалл түйіршіктерін олардың "жеңіл" магниттелу осьтері бір бағытта болуы үшін бағыттайды. Осылайша, магниттелу және одан туындаған магнит өрісі материалдың кристалдық құрылымына "енгізілген", оны демагнетизациялау өте қиын.

Thus, a piece of iron in its lowest energy state ("unmagnetized") generally has little or no net magnetic field. However, the magnetic domains in a material are not fixed in place; they are simply regions where the spins of the electrons have aligned spontaneously due to their magnetic fields, and thus can be altered by an external magnetic field. If a strong enough external magnetic field is applied to the material, the domain walls will move via a process in which the spins of the electrons in atoms near the wall in one domain turn under the influence of the external field to face in the same direction as the electrons in the other domain, thus reorienting the domains so more of the dipoles are aligned with the external field. The domains will remain aligned when the external field is removed, and sum to create a magnetic field of their own extending into the space around the material, thus creating a "permanent" magnet. The domains do not go back to their original minimum energy configuration when the field is removed because the domain walls tend to become 'pinned' or 'snagged' on defects in the crystal lattice, preserving their parallel orientation. This is shown by the Barkhausen effect: as the magnetizing field is changed, the material's magnetization changes in thousands of tiny discontinuous jumps as domain walls suddenly "snap" past defects. This magnetization as a function of an external field is described by a hysteresis curve. Although this state of aligned domains found in a piece of magnetized ferromagnetic material is not a minimal energy configuration, it is metastable, and can persist for long periods, as shown by samples of magnetite from the sea floor which have maintained their magnetization for millions of years. Heating and then cooling (annealing) a magnetized material, subjecting it to vibration by hammering it, or applying a rapidly oscillating magnetic field from a degaussing coil tends to release the domain walls from their pinned state, and the domain boundaries tend to move back to a lower energy configuration with less external magnetic field, thus demagnetizing the material. Commercial magnets are made of "hard" ferromagnetic or ferrimagnetic materials with very large magnetic anisotropy such as alnico and ferrites, which have a very strong tendency for the magnetization to be pointed along one axis of the crystal, the "easy axis". During manufacture the materials are subjected to various metallurgical processes in a powerful magnetic field, which aligns the crystal grains so their "easy" axes of magnetization all point in the same direction. Thus, the magnetization, and the resulting magnetic field, is "built in" to the crystal structure of the material, making it very difficult to demagnetize.

Кюри температурасы

Материалдың температурасы көтерілген сайын, термиялық қозғалыс немесе энтропия, ферромагниттік дипольдердің бағытталуға ұмтылысымен бәсекелеседі. Температура белгілі бір шегінен асып кеткенде, Кюри температурасы деп аталатын нүктеде, екінші реттік фазалық өту орын алады және жүйе өздігінен магниттелуді сақтап қала алмайды, сондықтан магниттелуге немесе магнитке тартылу қабілеті жоғалады, бірақ ол сыртқы өріске парамагниттік жауап береді. Осы температурадан төменде спонтанды симметрия бұзылысы орын алып, магниттік моменттер көршілерімен бағытталады. Кюри температурасының өзі – магниттік сезімталдықтың теориялық түрде шексіз болатын және жалпы магниттелу болмаса да, домендерге ұқсас спиндік корреляциялардың барлық масштабта ауытқуына ұшырайтын маңызды нүкте болып табылады. Ферромагниттік фазалық өтулерді зерттеу, әсіресе жеңілдетілген Изинг спин моделі арқылы, статистикалық физиканың дамуына маңызды үлес қосты. Дәл осы жерде алғаш рет орташа өріс теориясының тәсілдері сындық нүктеде дұрыс мінез-құлықты болжауға қабілетсіз екендігі анықталды (ол сұйық-газ өтулері сияқты көптеген басқа жүйелерді қамтитын әмбебаптық кластың құрамына кіретіндігі көрсетілді) және оларды қайта нормализация тобы теориясымен алмастыру қажет болды.