I materiali ferromagnetici sono solitamente basati sull’elemento ferro e rappresentano uno dei tre tipi di magnetismo presenti in natura, distinto dal diamagnetismo e dal paramagnetismo. Le caratteristiche primarie 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 debole campo magnetico indotto che è direttamente opposto a quello presente nel ferro. I materiali paramagnetici includono i metalli di alluminio e platino, che possono essere indotti ad avere anche un leggero campo magnetico, ma perdono rapidamente l’effetto quando il campo inducente viene rimosso.
Il materiale più comune in natura che esibisce proprietà ferromagnetiche è il ferro e questa qualità è nota da oltre 2,000 anni. Anche altre terre rare possono presentare ferromagnetismo, come il gadolinio e il disprosio. I metalli che agiscono come leghe ferromagnetiche includono il cobalto legato con samariam o neodimio.
Il campo magnetico in un ferromagnete è centrato in 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 nella maggior parte 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 inducente viene rimosso, viene trattenuto solo a una frazione della forza originale nel tempo. Questo è noto come rimanenza. La rimanenza è importante nel calcolo della forza dei magneti permanenti basati sul ferromagnetismo, dove vengono utilizzati nei dispositivi industriali e di consumo.
Un’altra limitazione di tutti i dispositivi a ferromagnete è che la proprietà del magnetismo è completamente persa a 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 paramagnete. La legge di Curie della suscettività paramagnetica utilizza la funzione di Langevin per calcolare la variazione delle proprietà da ferromagnetiche a paramagnetiche in composizioni di materiali note. Il passaggio da uno stato all’altro segue una curva prevedibile, crescente, di forma parabolica all’aumentare della temperatura. Questa tendenza del ferromagnetismo a indebolirsi e alla fine scomparire con l’aumento 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 (AC), che si alterna solitamente in cicli di 60 hertz, o 60 volte al secondo.
La ricerca avanzata che utilizza le proprietà del ferromagnete ha diverse interessanti potenziali applicazioni. 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 per telescopi e sonde spaziali. La forma dello specchio potrebbe anche essere cambiata attivando gli attuatori del campo magnetico a cicli di un kilohertz.
Il ferromagnetismo è stato scoperto anche in concerto con la superconduttività nella ricerca in corso condotta nel 2011. Un composto di nichel e bismuto, Bi3Ni, progettato su scala nanometrica, o un miliardesimo di metro, mostra proprietà diverse da quelle 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 in fase di studio.
La ricerca tedesca sui semiconduttori costruiti su un ferromagnete coinvolge il composto di gallio manganese arsenico, GaMnAs. Questo composto è noto per avere la più alta temperatura di Curie di qualsiasi altro semiconduttore a ferromagnete, di 212° Fahrenheit (100° Celsius). Tali composti sono oggetto di ricerca come mezzo per sintonizzare dinamicamente la conduttività elettrica dei superconduttori.