Elferromagnetisme és el fenomen pel qual unmaterial pot exhibir unmagnetisme espontani, i és una de les formes més fortes de magnetisme i la primera que va ser coneguda.[1] És el responsable del comportament que observem als estris magnètics que trobem a la nostra vida diària, i és la base de tots elsimants permanents, així com la delsmetalls que són atrets per aquests.[2][3]
El ferromagnetisme es defineix com el fenomen pel qual alguns materials, com elferro, són magnetitzats quan són posats sota l'acció d'uncamp magnètic extern i continuen magnetitzats durant un cert temps un cop ja no hi ha la influència del camp.[4]
Tots els imants permanents són ferromagnètics oferrimagnètics, en tant que atreuen els metalls.
Històricament s'ha utilitzat el termeferromagnetisme aplicat a qualsevol material que podia mostrar una magnetització espontània, unmoment magnètic net en absència d'un camp magnètic extern. Aquesta definició general encara és utilitzada, però més recentment s'han identificat altres formes de magnetització espontània quan hi ha més d'unió magnètic percel·la elemental del material, i això ha portat a una definició més estricta del ferromagnetisme per diferenciar-la de la del ferrimagnetisme.
En particular, un material ésferromagnètic en sentit estricte només si tots els seus ions magnètics fan una contribució positiva a la magnetització neta que presenta el material. Si alguns dels ions resten magnetització (perquè són parcialmentantialineats), llavors el material seràferrimagnètic. Si els ions són totalmentantialineats i, per tant, hi ha una magnetització neta igual a zero, malgrat l'ordre magnètic de l'estructura del material, llavors es tractarà d'un materialantiferromagnètic. Tots aquest efectes de l'alineació només ocorren per sota de certatemperatura crítica anomenadatemperatura de Curie en el cas dels materials ferromagnètics i ferrimagnètics, itemperatura de Néel en el cas dels materials antiferromagnètics.
En sotmetre un material ferromagnètic a uncamp magnètic intens, els dominis tendeixen a alinear-se amb aquest, de manera que aquells dominis en els quals elsdipols estan orientats amb el mateix sentit i direcció que el camp magnètic inductor augmenten la seva grandària. Aquest augment de grandària s'explica per les característiques de les parets de Bloch, queavancen en direcció als dominis la direcció dels quals dels dipols no coincideix; donant lloc a un monodomini. En eliminar el camp, el domini roman durant un cert temps.
Enfísica, s'han distingit diversos tipus diferents demagnetisme material. El ferromagnetisme (juntament amb l'efecte similar ferromagnetisme) és el tipus més fort i és responsable del fenomen comú del magnetisme enimants trobats en la vida quotidiana.[5] Les substàncies responen feblement als camps magnètics amb altres tres tipus de magnetisme-paramagnetisme,diamagnetisme iantiferromagnetisme-però les forces solen ser tan febles que només poden detectar-se mitjançant instruments sensibles en un laboratori. Un exemple quotidià d'imant permanent format a partir d'un material ferromagnètic és unimant de nevera, com els que s'utilitzen per a subjectar paper a la porta d'una nevera. L'atracció entre un imant i un material ferromagnètic com el ferro s'ha descrit com "la qualitat del magnetisme evident per primera vegada per al món antic i per a nosaltres avui dia".[6]
Els imants permanents (materials que poden sermagnetitzats per uncamp magnètic extern i romanen magnetitzats després de retirar el camp extern) són ferromagnètics o ferrimagnètics, igual que els materials que són atrets per ells. Relativament pocs materials són ferromagnètics i solen ser formes pures, aliatges o compostos deferro,cobalt,níquel i certsmetalls de terres rares. Més enllà de la seva composició química, les propietats ferromagnètiques d'un material (o l'absència d'elles) es veuen afectades per la sevaestructura cristal·lina. El ferromagnetisme és vital en aplicacions industrials i tecnologies modernes, ja que és la base de molts dispositius elèctrics i electromecànics, comelectroimants;motors elèctrics;generadors;transformadors;emmagatzematge magnètic, incloent-higravadores idiscos durs; iassajos no destructius de materials ferrosos.
Els materials ferromagnètics poden dividir-se en materials magnèticament tous comrecuitaferro, que poden magnetitzar-se, però no tendeixen a romandre magnetitzats, i materials magnèticament durs, que sí que ho fan. Els imants permanents es fabriquen a partir de materials ferromagnètics durs, com l'alnico, i materials ferrimagnètics, com laferrita, que se sotmeten a un processament especial en un camp magnètic intens durant la fabricació per a alinear la seva estructura interna demicrocristal·lina, la qual cosa dificulta la seva desmagnetització. Per a desmagnetitzar un imant saturat, ha d'aplicar-se un determinat camp magnètic, i aquest llindar depèn de lacoercitivitat del material respectiu. Els materials durs tenen una coercitivitat alta, mentre que els tous tenen una coercitivitat baixa. La força global d'un imant es mesura pel seumoment magnètic o, alternativament, pelflux magnètic total que produeix. La força local del magnetisme en un material es mesura per la sevamagnetització.
Material ferromagnètic: tots els dipols magnètics moleculars apunten en la mateixa direcció.
Material ferrimagnètic: alguns dels dipols apunten en direcció oposada, però la seva menor contribució és superada per la dels altres.
Històricament, el termeferromagnetisme s'utilitzava per a qualsevol material que pogués mostrar unamagnetització espontània: un moment magnètic net en absència d'un camp magnètic extern; és a dir, qualsevol material que pogués convertir-se en unimant. Aquesta definició general continua sent d'ús comú.[7]
No obstant això, en un article històric de 1948,Louis Néel va demostrar que existeixen dos nivells d'alineació magnètica que donen lloc a aquest comportament. Un és el ferromagnetisme en sentit estricte, en el qual tots els moments magnètics estan alineats. L'altre ésferromagnetisme, on alguns moments magnètics apunten en la direcció oposada, però tenen una contribució menor, per la qual cosa continua havent-hi una magnetització espontània.[8][9]:28-29
En el cas especial en què els moments oposats s'equilibren completament, l'alineació es coneix com aantiferromagnetisme. Per tant, els antiferromagnets no tenen magnetització espontània.
Hi ha una sèrie de materials cristal·lins que presenten ferromagnetisme. La taula de la dreta mostra una selecció representativa d'ells, juntament amb les sevestemperatures de Curie, la temperatura per sobre del qual deixen d'exhibir la magnetització espontània.
El ferromagnetisme no és una propietat que depèn només de la composició química d'un material, sinó que també depèn de la sevaestructura cristal·lina i l'organització microscòpica. L'acer elèctric, per exemple, és un material produït a escala industrial les propietats ferromagnètiques del qual han estat optimitzades per a fer ús d'elles en aplicacions on es requereix l'establiment decamps magnètics de manera eficient. No obstant això, hi ha aliatges ferromagnètics de metall, els components del qual no són ferromagnètics, anomenadesaliatges Heusler. Per contra, existeixen aliatges no magnètics, com els tipus d'acer inoxidable, composta gairebé exclusivament demetalls ferromagnètics.
La seva propietat més comuna és lahistèresi com a solució al camp magnètic. La histèresi és la tendència d'un material a conservar una de les seves propietats en absència de l'estímul que la va generar. Quan un material ferromagnètic actua en un camp magnètic i finalitza l'aplicació, el material no anul·la per complet el magnetisme, conté cert magnetisme residual.
La majoria dels materials ferromagnètics són metalls, ja que els electrons conductors solen ser els responsables de mediar en les interaccions ferromagnètiques. Per tant, és un repte desenvolupar aïllants ferromagnètics, especialment materialsmultiferroics, que són alhora ferromagnètics iferroelèctrics.[10]
Alguns compostos d'actínids són ferromagnètics a temperatura ambient o presenten ferromagnetisme en refredar-se.PuP és un paramagnet ambsimetria cúbica atemperatura ambient, però que experimenta una transició estructural a untetragonal estat amb ordre ferromagnètic quan es refreda per sota del seuTC = 125 K. En el seu estat ferromagnètic, l'eix fàcil del PuP està en la direcció ⟨100⟩.[11]
EnNpFe2 l'eix fàcil és ⟨111⟩.[12] Per sobre deTC ≈ 500 K, el NpFe2 també és paramagnético i cúbic. El refredament per sota de la temperatura de Curie produeix una distorsióromboèdrica en la qual l'angle romboèdric canvia de 60° (fase cúbica) a 60,53°. Una descripció alternativa d'aquesta distorsió és considerar la longitudc al llarg de l'eix trigonal únic (una vegada iniciada la distorsió) ia com la distància en el pla perpendicular ac. En la fase cúbica això es redueix ac/a = 1.00. Per sota de latemperatura de Curie
que és la deformació més gran en qualsevol compostactínid.[13] El NpNi2 sofreix una distorsió de xarxa similar per sota deTC = 32 K, amb una deformació de (43 ± 5) × 10−4.[13] NpCo2 és un ferrimagnet per sota de 15 K.
En 2009, un equip de físics delMIT va demostrar que un gas deliti refredat a menys d'unkelvin pot mostrar ferromagnetisme.[14] L'equip va refredarfermiònicliti-6 a menys de150 nK (150 milmilionèsimes de kelvin) utilitzantrefredament làser infraroig. Aquesta és la primera vegada que es demostra en un experiment el ferromagnetisme en un gas.
En 2018, un equip defísics de laUniversitat de Minnesota va demostrar que elruteni tetragonal centrat en el cos exhibeix ferromagnetisme a temperatura ambient.[15]
Recerques recents han demostrat que el ferromagnetisme pot induir-se en alguns materials mitjançant corrent elèctric o tensió. El LaMnO3 antiferromagnètic i el SrCoO s'han convertit en ferromagnètics mitjançant un corrent. El juliol de 2020, científics van informar de la inducció de ferromagnetisme en l'abundant materialdiamagnètic depirita de ferro ("or dels ximples") mitjançant un voltatge aplicat.[16][17] En aquests experiments el ferromagnetisme es va limitar a una fina capa superficial.
↑Chikazumi, Sōshin.Física del ferromagnetismo. Edición inglesa preparada con la ayuda de C. D. Graham, Jr.. 2ª. Oxford: Oxford University Press, 2009, p. 118.ISBN 9780199564811.
↑Bozorth, Richard M.Ferromagnetism, publicat per primera vegada en 1951, reimprès en 1993 perIEEE Press, Nova York com a "Reedició clàssica".ISBN 0-7803-1032-2.
↑Enciclopedia de la ciencia de superficies y coloides. 2nd. Nueva York: Taylor & Francis, 2006, p. 3471.ISBN 9780849396083.
↑Cullity, B. D.; Graham, C. D.. «6. Ferrimagnetismo». A:Introducción a los materiales magnéticos. John Wiley & Sons, 2011.ISBN 9781118211496.
↑Aharoni, Amikam.Introducción a la teoría del ferromagnetismo. 2nd. Oxford: Oxford University Press, 2000.ISBN 9780198508090.
↑Hill, Nicola A. «¿Por qué hay tan pocos ferroeléctricos magnéticos?». The Journal of Physical Chemistry B, vol. 104, 29, 01-07-2000, pàg. 6694-6709.ISSN:1520-6106.
↑ «Estudio de difracción de neutrones del PuP: El estado básico electrónico». Phys. Rev. B, vol. 14, 9, 1976, pàg. 4064-4067.Bibcode:1976PhRvB..14.4064L.
↑ «Propiedades magnéticas de las fases Laves de neptunio: NpMn2, NpFe2, NpCo2, y NpNi2». Phys. Rev. B, vol. 11, 1, 1975, pàg. 530-544.Bibcode:1975PhRvB..11..530A.
↑Walter, Jeff; Voigt, Bryan; Day-Roberts, Ezra; Heltemes, Kei; Fernandes, Rafael M.; Birol, Turan; Leighton, Chris «Ferromagnetismo inducido por tensión en un diamante» (en castellà). Science Advances, vol. 6, 31, 01-07-2020, pàg. eabb7721.Bibcode:2020SciA....6B7721W.ISSN:2375-2548.PMC:7439324.PMID:32832693.
