Особливий клас магнетиків, які здатні мати намагніченість у відсутності зовнішнього магнітного поля (спонтанну намагніченість), називають феромагнетиками.
Феромагнетизмом володіють речовини тільки в кристалічному стані. До числа яскравих представників ферромагнетиков відносять: залізо, нікель, кобальт, сполуки марганцю і хрому і ряд інших. Ферромагнетики відносять до сильномагнітних речовин. Їх намагніченість залежить від напруженості зовнішнього поля нелінійно і досягає насичення. У зв'язку з цим для феромагнетиків магнітна сприйнятливість ($ \ varkappa $) і магнітна проникність ($ \ mu $) не є постійними. За - як і раніше записують, що:
\ [\ Overrightarrow = \ varkappa \ overrightarrow \ і \ \ overrightarrow = \ mu _0 \ overrightarrow \ left (1 \ right), \]але тоді $ \ mu \ і \ \ varkappa $ розглядають як функції від напруженості поля. Ці функції спочатку ростуть при зростанні напруженості поля, проходять через максимум, в сильних полях, коли досягнуто насичення, магнітна проникність прагне до одиниці, а магнітна сприйнятливість до нуля. Значення $ \ mu $ в максимумі досягає для більшості феромагнетиків при звичайних температурах сотні тисяч одиниць.
Монокристали феромагнетиків анізотропні щодо магнітних властивостей. У кожному монокристалле існує одне або кілька напрямків, уздовж яких магнітна сприйнятливість особливо велика. Існують напрямки, в яких кристал погано намагничивается. Треба відзначити, що якщо феромагнітна речовина складається з дрібних полікристалів, то воно изотропно.
Наступна характерна особливість феромагнетиків полягає в тому, що залежно $ \ overrightarrow (\ overrightarrow) $ і $ \ overrightarrow (\ overrightarrow) $ не однозначні, а визначені попередньою історією. Тобто феромагнетика притаманний магнітний гістерезис.Для феромагнетиків існує певна температура при переході через яку речовину робить фазовий перехід другого роду. Така температура називається температурою Кюрі ($ T_k $) (або точкою Кюрі). Речовина при температурі нижче точки Кюрі є феромагнетиком, а при температурі вище точки Кюрі стає парамагнетиком. При цьому магнітна сприйнятливість в околиці окуляри Кюрі підкоряється закону Кюрі - Вейса:
де $ З $ - постійна залежить від роду речовини.
Доменна структура феромагнетика
Експериментально було отримано Ейнштейном, що феромагнетизм викликаний спинами електронів. Ферромагнетики мають спонтанну намагніченість, коли немає зовнішнього поля, але під вплив внутрішніх причин спини електронів прагнуть орієнтуватися в одному загальному напрямку. Але всьому феромагнетика цілком бути намагніченим енергетично не вигідно.
Перша кількісна теорія, що описує властивості феромагнетиків була розроблена Вейссом в 1907 р На перший погляд в його теорії спонтанне намагнічування знаходиться в протиріччі з фактом, що навіть при температурі нижче точки Кюрі деякі ферромагнетики, зазвичай не намагнічені, хоча існують і постійні магніти. Вейсс усунув цю суперечність, коли ввів гіпотезу про те, що ферромагнетики нижче точки Кюрі в магнітному відношенні розпадаються на безліч маленьких макроскопічних областей. Кожна область спонтанно намагнічена. Такі області називаються доменами. У звичайних умовах напрямки доменів хаотичні. Тіло в цілому є не намагніченим. При включенні зовнішнього поля домени, орієнтовані по полю ростуть за рахунок доменів, які спрямовані проти поля, йде зсув границь доменів. У слабких полях таке зміщення можна зупинити. У сильних полях домени переорієнтуються в межах всього домену. Процес набуває незворотного характеру, виникає явище гістерезису і залишкове намагнічування.
Доменний «розпад» енергетично вигідний. При дробленні феромагнетика на домени і появі доменів різної орієнтації магнітне поле, яке породжене феромагнетиком послаблюється. Стає менше відповідна енергія. Енергія обмінного взаємодії електронів не змінюється для всіх електронів за винятком електронів на кордонах доменів (так звана поверхнева енергія). Вона росте через різної орієнтації спінів електронів сусідніх доменів. Дроблення доменів закінчується тоді, коли сума магнітної і обмінної енергії досягає мінімуму. Умовою мінімуму визначено і розмір доменів. Доменна структура феромагнетиків доведена емпірично.
межі доменів
Отже, для мінімізації енергії магнітного поля є вигідним зменшення розміру домену. Однак, цьому перешкоджає необхідність при цьому витрат енергії на освіту кордонів між доменами, так як намагніченість по різні боки кордону має різне спрямування. Кордон має кінцеву товщину, в межах неї намагніченість поступово змінює свій напрямок від орієнтації в одному домені до орієнтації в сусідньому.
Стінки доменів класифікують за особливостями повороту вектора намагніченості. У тому випадку, якщо перпендикулярна (щодо стінки) складова вектора намагніченості в процесі повороту не змінюється, то це стінка Блоха. (Кажуть, що в стінці Блоха обертання відбувається в площині паралельної стінці). Якщо зміна напрямку вектора намагніченості відбувається зі зміною перпендикулярної складової, то стінка носить ім'я Нееля.