Che cos'è un ferromagnete?
I materiali ferromagnetici si basano solitamente sull'elemento ferro e rappresentano uno dei tre tipi di magnetismo presenti in natura, distinti dal diamagnetismo e dal paramagnetismo. Le caratteristiche principali dei ferromagneti sono che esibiscono un campo magnetico naturale in assenza di questo primo imposto alla sostanza da una sorgente di campo magnetico esterno, e il campo è, a tutti gli effetti, permanente. I materiali diamagnetici, al contrario, mostrano un campo magnetico indotto debole che è direttamente opposto a quello presente nel ferro. I materiali paramagnetici includono alluminio e metalli platino, che possono essere indotti ad avere anche un leggero campo magnetico, ma perdono rapidamente l'effetto quando il campo induttore viene rimosso.
Il materiale più comune in natura che presenta proprietà ferromagnetiche è il ferro, e questa qualità è nota da oltre 2000 anni. Altre terre rare possono anche esibire ferromagnetismo, come gadolinio e disprosio. I metalli che fungono da leghe ferromagnetiche includono il cobalto legato con samariam o neodimio.
Il campo magnetico in un ferromagnete è centrato nelle regioni atomiche in cui gli spin degli elettroni sono allineati in parallelo tra loro, noti come domini. Questi domini sono fortemente magnetici, ma sparsi casualmente in tutto il grosso di un materiale stesso, il che gli conferisce un magnetismo naturale complessivamente debole o neutro. Prendendo tali campi magnetici naturali ed esponendoli a una fonte magnetica esterna, i domini stessi si allineeranno e il materiale manterrà un campo magnetico uniforme, forte e duraturo. Questo aumento del magnetismo generale di una sostanza è noto come permeabilità relativa. La capacità del ferro e delle terre rare di mantenere questo allineamento di domini e magnetismo generale è nota come isteresi.
Mentre un ferromagnete mantiene il suo campo quando il campo magnetico induttore viene rimosso, nel tempo viene trattenuto solo ad una frazione della forza originale. Questo è noto come rimanenza. La rimanenza è importante nel calcolo della forza dei magneti permanenti basati sul ferromagnetismo, dove vengono utilizzati in dispositivi industriali e di consumo.
Un altro limite di tutti i dispositivi a ferromagnete è che la proprietà del magnetismo è completamente persa ad un certo intervallo di temperatura noto come temperatura di Curie. Quando la temperatura di Curie viene superata per un ferromagnete, le sue proprietà passano a quelle di un paramagnet. La legge Curie della suscettibilità paramagnetica utilizza la funzione di Langevin per calcolare la variazione delle proprietà ferromagnetiche e paramagnetiche in composizioni di materiali noti. Il passaggio da uno stato a un altro segue una curva prevedibile, in aumento, a forma di parabolico all'aumentare della temperatura. Questa tendenza al ferromagnetismo di indebolirsi e infine scomparire con l'aumentare della temperatura è nota come agitazione termica.
Il ronzio elettrico sentito in un trasformatore senza parti in movimento è dovuto al suo utilizzo di un ferromagnete ed è noto come magnetostrizione. Questa è una risposta del ferromagnete al campo magnetico indotto creato dalla corrente elettrica alimentata al trasformatore. Questo campo magnetico indotto fa sì che il campo magnetico naturale della sostanza cambi leggermente direzione per allinearsi con il campo applicato. È una risposta meccanica nel trasformatore alla corrente alternata (CA), che si alterna generalmente in 60 cicli di Hertz o 60 volte al secondo.
La ricerca avanzata che utilizza le proprietà del ferromagnete ha diverse interessanti applicazioni potenziali. In astronomia, un liquido ferromagnetico viene progettato come una forma di specchio liquido che potrebbe essere più liscio degli specchi di vetro e creato a una frazione del costo di telescopi e sonde spaziali. La forma dello specchio potrebbe anche essere cambiata facendo funzionare gli attuatori del campo magnetico a cicli di un chilohertz.
Il ferromagnetismo è stato scoperto anche in concerto con la superconduttività nella ricerca in corso condotta nel 2011. Un composto di nichel e bismuto, Bi 3 Ni, progettato su scala nanometrica o un miliardesimo di metro, presenta proprietà diverse da quella dello stesso composto in campioni più grandi. Le proprietà dei materiali su questa scala sono uniche, poiché il ferromagnetismo di solito annulla la superconduttività e i suoi potenziali usi sono ancora allo studio.
La ricerca tedesca sui semiconduttori costruiti su un ferromagnete coinvolge il composto di arsenico di manganese al gallio, GaMnAs. Questo composto è noto per avere la più alta temperatura di Curie di qualsiasi semiconduttore a ferromagnete, di 212 ° Fahrenheit (100 ° Celsius). Tali composti vengono studiati come mezzo per regolare dinamicamente la conducibilità elettrica dei superconduttori.