Механизм ферромагнетизма и притяжения к магнитам.

Введение

Механизм, посредством которого материалы формируют и притягиваются к магнитам.

Ферромагнетизм – это свойство определенных материалов (таких как железо), приводящее к значительной, наблюдаемой магнитной проницаемости, а во многих случаях и к значительной магнитной коэрцитивности, позволяющей материалу формировать постоянный магнит. Ферромагнитные материалы заметно притягиваются к магниту, что является следствием их существенной магнитной проницаемости. Магнитная проницаемость описывает индуцированную намагниченность материала под воздействием внешнего магнитного поля. Например, эта временная намагниченность внутри стальной пластины объясняет притяжение пластины к магниту. Приобретет ли эта стальная пластина постоянную намагниченность, зависит как от силы приложенного поля, так и от коэрцитивности конкретного куска стали (которая меняется в зависимости от химического состава стали и любой термической обработки, которой она подверглась). В физике выделяют несколько типов материального магнетизма. Ферромагнетизм (наряду с близким по эффекту ферримагнетизмом) является самым сильным типом и отвечает за обыденное явление магнетизма. Примером постоянного магнита, изготовленного из ферромагнитного материала, служит магнит для холодильника. Вещества слабо реагируют на три других типа магнетизма – парамагнетизм, диамагнетизм и антиферромагнетизм, но силы обычно настолько малы, что их можно обнаружить только с помощью лабораторных приборов. Постоянные магниты (материалы, которые можно намагнитить внешним магнитным полем и которые остаются намагниченными после снятия внешнего поля) являются либо ферромагнитными, либо ферримагнитными, как и материалы, которые к ним притягиваются. Ферромагнитными являются относительно немногочисленные материалы. Обычно это чистые вещества, сплавы или соединения железа, кобальта, никеля и некоторых редкоземельных металлов. Ферромагнетизм играет важную роль в промышленных приложениях и современных технологиях, являясь основой для электрических и электромеханических устройств, таких как электромагниты, электродвигатели, генераторы, трансформаторы, магнитная память (включая магнитные ленты и жесткие диски) и неразрушающий контроль ферромагнитных материалов. Ферромагнитные материалы делятся на магнитно-мягкие материалы (например, отпущенное железо), которые не склонны сохранять намагниченность, и магнитно-твердые материалы, которые сохраняют. Постоянные магниты изготавливаются из твердых ферромагнитных материалов (таких как альнико) и ферримагнитных материалов (таких как феррит), которые в процессе производства подвергаются специальной обработке в сильном магнитном поле для выравнивания их внутренней микрокристаллической структуры, что затрудняет их размагничивание. Для размагничивания насыщенного магнита необходимо приложить магнитное поле. Порог, при котором происходит размагничивание, зависит от коэрцитивности материала. Магнитно-твердые материалы имеют высокую коэрцитивность, а магнитно-мягкие – низкую. Общая сила магнита измеряется его магнитным моментом или, альтернативно, общим магнитным потоком. Локальная сила магнетизма в материале измеряется его намагниченностью.

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.

Условия

Исторически термин "ферромагнетизм" использовался для обозначения любого материала, способного проявлять спонтанную намагниченность: ненулевой магнитный момент в отсутствие внешнего магнитного поля; то есть любого материала, который может стать магнитом. Это определение до сих пор широко распространено. В основополагающей работе 1948 года Луи Нель показал, что данное поведение обусловлено двумя уровнями магнитного упорядочения. Один из них – ферромагнетизм в строгом смысле, при котором все магнитные моменты ориентированы в одном направлении. Другой – ферримагнетизм, при котором некоторые магнитные моменты направлены в противоположную сторону, но их вклад меньше, поэтому спонтанная намагниченность сохраняется. В частном случае, когда противоположные моменты полностью компенсируют друг друга, упорядочение называется антиферромагнетизмом; антиферромагнетики не обладают спонтанной намагниченностью.

Материалы

+ Температура Кюри для некоторых кристаллических ферромагнитных материалов. Материал Температура Кюри (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 – необычное свойство, которое встречается лишь в нескольких веществах. К наиболее распространенным относятся переходные металлы железо, никель и кобальт, а также их сплавы и сплавы редкоземельных металлов. Это свойство зависит не только от химического состава материала, но и от его кристаллической структуры и микроструктуры. Ферромагнетизм обусловлен наличием большого количества неспаренных электронов в d-блоке (в случае железа и его аналогов) или f-блоке (в случае редкоземельных металлов), что является следствием правила Хунда максимальной мультиплетности. Существуют ферромагнитные металлические сплавы, компоненты которых сами по себе не являются ферромагнитными; они называются сплавами Гейслера, в честь Фрица Гейслера. В то же время, существуют немагнитные сплавы, такие как некоторые марки нержавеющей стали, состоящие почти исключительно из ферромагнитных металлов. Аморфные (некристаллические) ферромагнитные металлические сплавы можно получить путем очень быстрого закаливания (охлаждения) сплава. Они обладают преимуществом в том, что их свойства почти изотропны (не ориентированы вдоль кристаллической оси), что приводит к низкой коэрцитивной силе, низким потерям на гистерезис, высокой проницаемости и высокому электрическому сопротивлению. Типичным материалом такого рода является сплав переходный металл – металлоид, состоящий примерно из 80% переходного металла (обычно Fe, Co или Ni) и металлоидного компонента (B, C, Si, P или Al), который понижает температуру плавления. Относительно новый класс исключительно сильных ферромагнитных материалов – это редкоземельные магниты. Они содержат лантаноиды, известные своей способностью нести большие магнитные моменты в хорошо локализованных f-орбиталях. В таблице приведен перечень некоторых ферромагнитных и ферримагнитных соединений с указанием их температуры Кюри (TC), выше которой они перестают проявлять спонтанную намагниченность.

Необычные материалы

Большинство ферромагнитных материалов – это металлы, поскольку проводящие электроны часто отвечают за опосредование ферромагнитных взаимодействий. Поэтому разработка ферромагнитных изоляторов, особенно мультиферроических материалов, которые являются одновременно ферромагнитными и ферроэлектрическими, является сложной задачей. Ряд актинидных соединений являются ферромагнетиками при комнатной температуре или проявляют ферромагнетизм при охлаждении. PuP – парамагнетик с кубической симметрией при комнатной температуре, но претерпевает структурный переход в тетрагональное состояние с ферромагнитным упорядочением при охлаждении ниже 1/TC = 125 K. В его ферромагнитном состоянии легкая ось PuP направлена в направлении ⟨100⟩. В NpFe2 легкая ось ⟨111⟩. Выше TC ≈ 500 K, NpFe2 также парамагнитен и кубичен. Охлаждение ниже температуры Кюри приводит к ромбоэдрическому искажению, при котором ромбоэдрический угол изменяется с 60° (кубическая фаза) до 60,53°. Альтернативное описание этого искажения – рассматривать длину c вдоль уникальной тригональной оси (после начала искажения) и a как расстояние в плоскости, перпендикулярной c. В кубической фазе это сводится к ниже температуры Кюри, что является наибольшим напряжением в любом актинидном соединении. NpNi2 подвергается аналогичному решетчатому искажению ниже, с напряжением (43 ± 5) × 10−4. Команда охладила фермионный литий-6 до менее 150 нК (150 миллиардных долей кельвина) с помощью инфракрасного лазерного охлаждения. Эта демонстрация – первый случай, когда ферромагнетизм был продемонстрирован в газе. В редких случаях ферромагнетизм может наблюдаться в соединениях, состоящих только из элементов s- и p-блоков, таких как рубидий сесквиоксид. В 2018 году группа физиков из Университета Миннесоты продемонстрировала, что объемно-центрированный тетрагональный рутений проявляет ферромагнетизм при комнатной температуре.

Электрически индуцированный ферромагнетизм

Недавние исследования показали наличие свидетельств того, что в некоторых материалах ферромагнетизм может быть вызван электрическим током или напряжением. Антиферромагнитные LaMnO3 и SrCoO были переведены в ферромагнитное состояние с помощью тока. В июле 2020 года ученые сообщили о возникновении ферромагнетизма в распространенном диамагнитном материале пирите железа ("золоте дураков") под воздействием приложенного напряжения. В этих экспериментах ферромагнетизм ограничивался тонким поверхностным слоем.

Пояснение

Теорема Бора — Ван Лиувена, открытая в 1910-х годах, показала, что классические физические теории не способны объяснить какую-либо форму материального магнетизма, включая ферромагнетизм; объяснение, напротив, основывается на квантово-механическом описании атомов. Каждый электрон атома обладает магнитным моментом, определяемым его спиновым состоянием, согласно квантовой механике. Принцип исключения Паули, также являющийся следствием квантовой механики, ограничивает заполнение спиновых состояний электронов на атомных орбиталях, что обычно приводит к значительному или полному взаимному гашению магнитных моментов электронов атома. Атом будет иметь результирующий магнитный момент, когда это гашение неполное.

Происхождение атомного магнетизма

Одним из основных свойств электрона (помимо его электрического заряда) является наличие у него магнитного дипольного момента, то есть он ведет себя как крошечный магнит, создавая магнитное поле. Этот дипольный момент обусловлен более фундаментальным свойством электрона – его квантово-механическим спином. В силу своей квантовой природы, спин электрона может находиться только в одном из двух состояний, при этом магнитное поле направлено либо "вверх", либо "вниз" (относительно выбранного направления). Спин электронов в атомах является основным источником ферромагнетизма, хотя вклад вносит также орбитальный угловой момент электрона вокруг ядра. Когда эти магнитные диполи в веществе выстраиваются в одном направлении, их индивидуальные, очень слабые магнитные поля складываются, создавая гораздо большее макроскопическое поле. Однако материалы, состоящие из атомов с полностью заполненными электронными оболочками, имеют нулевой суммарный дипольный момент: поскольку электроны существуют в парах с противоположными спинами, магнитный момент каждого электрона компенсируется противоположным моментом второго электрона в паре. Только атомы с частично заполненными оболочками (то есть с неспаренными спинами) могут обладать ненулевым магнитным моментом, поэтому ферромагнетизм наблюдается только в материалах с частично заполненными оболочками. Благодаря правилам Хунда, первые электроны, заполняющие оболочку, как правило, имеют одинаковый спин, что увеличивает суммарный дипольный момент. Эти неспаренные диполи (часто называемые просто "спинами", хотя они обычно включают также орбитальный угловой момент) стремятся выстраиваться параллельно внешнему магнитному полю, что приводит к макроскопическому эффекту, называемому парамагнетизмом. В ферромагнетизме же магнитное взаимодействие между магнитными диполями соседних атомов настолько сильно, что они выстраиваются друг с другом независимо от внешнего поля, что приводит к спонтанной намагниченности так называемых доменов. Это обуславливает высокую наблюдаемую магнитную проницаемость ферромагнетиков и способность магнитно-твёрдых материалов создавать постоянные магниты.

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.

Взаимодействие с биржей

Когда два соседних атома имеют неспаренные электроны, то, параллельны или антипараллельны спины электронов, влияет на то, могут ли электроны занимать одну и ту же орбиталь в результате квантово-механического эффекта, называемого обменным взаимодействием. Это, в свою очередь, влияет на положение электронов и кулоновское (электростатическое) взаимодействие, а следовательно, и на разницу энергий между этими состояниями. Обменное взаимодействие связано с принципом исключения Паули, который гласит, что два электрона с одинаковым спином не могут одновременно находиться в одном и том же пространственном состоянии (орбитали). Это является следствием теоремы спин-статистики и того факта, что электроны являются фермионами. Поэтому, при определенных условиях, когда орбитали неспаренных внешних валентных электронов соседних атомов перекрываются, распределения их электрического заряда в пространстве оказываются более удаленными друг от друга, когда спины электронов параллельны, чем когда они антипараллельны. Это снижает электростатическую энергию электронов при параллельных спинах по сравнению с их энергией при антипараллельных спинах, что делает параллельное спиновое состояние более стабильным. Эта разница в энергии называется энергией обмена. Проще говоря, внешние электроны соседних атомов, испытывающие взаимное отталкивание, могут располагаться дальше друг от друга, выстраивая свои спины параллельно, поэтому спины этих электронов стремятся выровняться. Эта разница в энергии может быть на порядки величины больше, чем разница в энергии, связанная с диполь-дипольным магнитным взаимодействием, обусловленным ориентацией диполей, которое стремится выровнять диполи антипараллельно. В некоторых легированных полупроводниковых оксидах взаимодействия RKKY приводят к периодическим магнитным взаимодействиям на больших расстояниях, что является важным явлением при изучении спинтронных материалов. Материалы, в которых обменное взаимодействие значительно сильнее конкурирующего диполь-дипольного взаимодействия, часто называют магнитными материалами. Например, в железе (Fe) сила обмена примерно в 1000 раз превышает силу дипольного взаимодействия. Следовательно, ниже температуры Кюри практически все диполи в ферромагнитном материале будут выровнены. Помимо ферромагнетизма, обменное взаимодействие также отвечает за другие типы спонтанного упорядочения атомных магнитных моментов, возникающие в магнитных твердых телах: антиферромагнетизм и ферримагнетизм. Существуют различные механизмы обменного взаимодействия, которые обуславливают магнетизм в различных ферромагнитных, ферримагнитных и антиферромагнитных веществах — к ним относятся прямой обмен, обмен RKKY, двойной обмен и суперобмен.

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.

Магнитная анизотропия

Хотя обменное взаимодействие удерживает спины выровненными, оно не выравнивает их в конкретном направлении. Без магнитной анизотропии спины в магните случайным образом меняют направление под воздействием тепловых флуктуаций, и магнит становится суперпарамагнитным. Существует несколько видов магнитной анизотропии, наиболее распространенным из которых является магнитокристаллическая анизотропия. Это зависимость энергии от направления намагниченности относительно кристаллической решетки. Другим распространенным источником анизотропии является обратный магнитострикционный эффект, возникающий из-за внутренних напряжений. Однодоменные магниты также могут обладать анизотропией формы, обусловленной магнитостатическими эффектами, связанными с формой частицы. С повышением температуры магнита анизотропия обычно уменьшается, и часто существует температура блокировки, при которой происходит переход в суперпарамагнитное состояние.

Магнитные области

Спонтанное выравнивание магнитных диполей в ферромагнитных материалах может показаться причиной того, что каждый кусок ферромагнитного материала должен обладать сильным магнитным полем, поскольку все спины ориентированы в одном направлении; однако железо и другие ферромагнетики часто встречаются в "не намагниченном" состоянии. Это происходит потому, что объемный кусок ферромагнитного материала разделен на крошечные области, называемые магнитными доменами (также известные как домены Вайсса). Внутри каждого домена спины выровнены, но если объемный материал находится в состоянии с минимальной энергией (то есть "не намагничен"), спины отдельных доменов указывают в разных направлениях, и их магнитные поля взаимно компенсируются, в результате чего материал не имеет результирующего магнитного поля в масштабе всего объема. Ферромагнитные материалы спонтанно разделяются на магнитные домены, поскольку обменное взаимодействие является силой короткого радиуса действия, поэтому на больших расстояниях, охватывающих множество атомов, тенденция магнитных диполей уменьшать свою энергию путем ориентации в противоположных направлениях преобладает. Если все диполи в куске ферромагнитного материала выровнены параллельно, это создает сильное магнитное поле, простирающееся в окружающее пространство. Это поле содержит значительное количество магнитостатической энергии. Материал может уменьшить эту энергию, разделившись на множество доменов, ориентированных в разных направлениях, таким образом магнитное поле локализуется в небольших полях внутри материала, уменьшая объем этого поля. Домены разделены тонкими доменными стенками толщиной в несколько молекул, в которых направление намагниченности диполей плавно изменяется от направления в одном домене к направлению в другом.

Магнитные материалы

Таким образом, кусок железа в состоянии с наименьшей энергией ("не намагниченный") обычно обладает незначительным или отсутствующим результирующим магнитным полем. Однако магнитные домены в материале не зафиксированы; это лишь области, где спины электронов спонтанно выстраиваются из-за своих магнитных полей и, следовательно, могут изменяться под воздействием внешнего магнитного поля. При приложении к материалу достаточно сильного внешнего магнитного поля, границы доменов будут перемещаться в процессе, при котором спины электронов в атомах, расположенных вблизи границы в одном домене, поворачиваются под влиянием внешнего поля, ориентируясь в том же направлении, что и спины электронов в другом домене, тем самым переориентируя домены так, чтобы больше диполей были выровнены с внешним полем. Домены останутся выровненными после снятия внешнего поля и суммируются, создавая собственное магнитное поле, простирающееся в пространство вокруг материала, создавая таким образом "постоянный" магнит. Домены не возвращаются к своей первоначальной конфигурации с минимальной энергией после снятия поля, поскольку границы доменов склонны "закрепляться" или "застревать" на дефектах кристаллической решетки, сохраняя свою параллельную ориентацию. Это демонстрируется эффектом Баркхаузена: при изменении магнитного поля намагниченность материала изменяется тысячами крошечных, скачкообразных изменений, поскольку границы доменов внезапно "преодолевают" дефекты. Зависимость этой намагниченности от внешнего поля описывается кривой гистерезиса. Хотя данное состояние выровненных доменов в намагниченном ферромагнитном материале не является конфигурацией с минимальной энергией, оно является метастабильным и может сохраняться в течение длительных периодов времени, что подтверждается образцами магнетита со дна океана, сохранившими свою намагниченность на протяжении миллионов лет. Нагрев с последующим охлаждением (отжиг) намагниченного материала, его подвержение вибрации путем удара или воздействие быстро осциллирующего магнитного поля от размагничивающей катушки, как правило, освобождает границы доменов из зафиксированного состояния, и границы доменов стремятся вернуться к конфигурации с более низкой энергией при меньшем внешнем магнитном поле, тем самым размагничивая материал. Коммерческие магниты изготавливаются из "твердых" ферромагнитных или ферримагнитных материалов с очень высокой магнитной анизотропией, таких как альнико и ферриты, которые имеют сильную тенденцию к тому, чтобы намагниченность была направлена вдоль одной оси кристалла – "оси легкого намагничивания". В процессе производства материалы подвергаются различным металлургическим процессам в сильном магнитном поле, которое выравнивает кристаллические зерна таким образом, чтобы их "оси легкого намагничивания" были направлены в одном направлении. Таким образом, намагниченность и результирующее магнитное поле "встроены" в кристаллическую структуру материала, что делает его очень трудным для размагничивания.

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.

Температура Кюри

По мере повышения температуры материала тепловое движение, или энтропия, конкурирует с ферромагнитной тенденцией к выравниванию диполей. Когда температура превышает определенную точку, называемую температурой Кюри, происходит фазовый переход второго рода, и система больше не может поддерживать спонтанную намагниченность, поэтому её способность намагничиваться или притягиваться к магниту исчезает, хотя она по-прежнему парамагнитно реагирует на внешнее поле. Ниже этой температуры происходит спонтанное нарушение симметрии, и магнитные моменты выстраиваются в соответствии с соседними. Сама температура Кюри является критической точкой, где магнитная восприимчивость теоретически бесконечна, и, несмотря на отсутствие результирующей намагниченности, спиновые корреляции, подобные доменным, флуктуируют во всех масштабах длин. Изучение ферромагнитных фазовых переходов, особенно с использованием упрощенной модели спина Изинга, оказало значительное влияние на развитие статистической физики. Именно там впервые было чётко показано, что подходы теории среднего поля не позволяют предсказать корректное поведение в критической точке (которая, как было установлено, относится к классу универсальности, включающему многие другие системы, такие как переходы газ-жидкость), и должны быть заменены теорией ренормализационной группы.