Magnes to namagnesowany ferromagnetyk. Co to jest więc ferromagnetyk?

Ferromagnetyk jest to materiał o specyficznych właściwościach które powodują, że może on być trwale namagnesowany. Żeby zrozumieć istotę tego zjawiska musimy zejść do poziomu atomów. Atomy złożone są z elektronów. Elektrony wytwarzają pole magnetyczne. Pole to ma dwa źródła; z jednej strony jest nim spin elektronu, drugim jego źródłem jest ruch elektronu. Elektrony w atomie zapełniają kolejne powłoki. Powłoki niektórych atomów są całkowicie zapełnione, innych natomiast częściowo. Gdy powłoka jest całkowicie zapełniona, to pola magnetyczne poszczególnych elektronów kasują się nawzajem. Natomiast, gdy powłoka jest tylko częściowo zapełniona, to pola nie kasują się i atom jest źródłem słabego pola magnetycznego. W większości substancji pola magnetyczne poszczególnych atomów są od siebie niezależne i sumarycznie kasują się. Takie substancje nie wykazują namagnesowania. Natomiast w szczególnych substancjach, tzw. ferromagnetykach, atomy oddziałują na siebie tak, że ich pola magnetyczne stają się zsynchronizowane. Pola od poszczególnych atomów dodają się do siebie, powodując powstanie pola magnetycznego.

Zazwyczaj oddziaływania pomiędzy atomami nie są na tyle silne, by zsynchronizować pole magnetyczne w całej substancji. W takich sytuacjach tworzą się domeny magnetyczne, czyli obszary które zachowują się jak małe magnesy. Cała substancja nie wykazuje jednak właściwości magnetycznych, ponieważ te małe magnesy są skierowane w różną stronę. Możemy jednak taką substancję namagnesować. Gdy umieścimy ją w silnym polu magnetycznym to poszczególne domeny zorientują się zgodnie z kierunkiem zewnętrznego pola. Dostaniemy w ten sposób magnes. Oddziaływania między atomami nadają mu trwałość, tak że po usunięciu zewnętrznego pola magnetycznego substancja pozostanie namagnesowana.

Taki magnes można zepsuć, na przykład umieszczając w szybko zmieniającym się polu magnetycznym lub ogrzewając go. Gdy ogrzewamy jakąś substancję to dostarczamy jej atomom energii. Im więcej atomy mają energii, tym mniej istotne jest oddziaływanie z innymi atomami. W przypadku magnesu oznacza to, że pola magnetyczne poszczególnych atomów przestają być ze sobą zgodne i kasują się nawzajem. Magnes ulega rozmagnesowaniu. Co ciekawe, przejście ze stanu namagnesowania do stanu rozmagnesowania zachodzi w konkretnej temperaturze, podobnie jak wrzenie wody, która w normalnych warunkach wrze w dokładnie 100 °C. Podobnie ferromagnetyk traci swoje właściwości w temperaturze zwanej temperaturą Curie. Temperatura Curie zależy od substancji, na przykład dla żelaza wynosi około 1400 °C.