ferromagnetiske materialer

Ferromagnetiske materialer, en type materialer som under en viss kritisk temperatur fremviser spontan magnetisering. Fra dagliglivet er kompassnåler og hestesko-/stavmagneter kjente eksempler. Se også ferromagnetisme og ferrimagnetisme.

Ferromagnetiske materialer er oftest krystallinske, uorganiske forbindelser, gjerne metaller, legeringer eller oksider. Noen organiske og noen amorfe ferromagneter er også kjent.

Ferromagnetisme opptrer ikke i væskefase, men ferromagnetiske «væsker», ferrofluider, kan fremstilles ved dispersjon av finfordelt pulver (10 nm) av f.eks. magnetitt i oljeblandinger.

Over den kritiske temperaturen, Curie-temperaturen (T_c) vil de magnetiske momentene i materialet være vilkårlig fordelt med hensyn til retning slik at de summeres til null (paramagnetisme). Under Curie-temperaturen består et ferromagnetisk materiale som regel av magnetiske domener. Innen hvert av disse er de magnetiske momenter parallelle. Når et ferromagnetisk materiale utsettes for et ytre påtrykt magnetfelt, vil momentene i de ulike domenene rettes inn langs det ytre feltet (se figur), og man sier at materialet magnetiseres.

Viktige materialparametere for ferromagnetiske materialer er størrelsen av det magnetiske moment (retningsmagnetiseringen), Curie-temperaturen (som definerer en øvre grense for temperatur hvor ferromagnetisme opptrer i det aktuelle materialet), remanens (rest-magnetisering for materialet når ytre magnetfelt er null), koersitivitet og partikkelstørrelse.

Tidlig praktisk bruk av ferromagnetisme var knyttet til grunnstoffet jern (Fe) og magnetitt (Fe₃O₄₎. Utover på 1900-tallet har forbedrede materialer stadig vunnet innpass. Bruk av ferritt-spineller og relaterte forbindelser er utbredt i telefon-, datamaskin- og mikrobølgeteknologi, i magnetbånd, transformatorkjerner m.m. I 1970-årene ble metalliske faser mellom sjeldne jordartsgrunnstoffer og kobolt utviklet, f.eks. SmCo₅. Disse fremstilles i form av 1 μm pulver, som magnetisk sett opplinjeres og gjøres mest mulig kompakt under påvirkning av et pålagt magnetfelt. Magneter av slikt materiale benyttes i elektroniske armbåndsur, magnetiske membraner, motorer m.m. I 1980-årene er ytterligere sterkere magneter blitt oppdaget og utviklet. Nåtidens «supermagneter» består f.eks. av det metalliske boridet Nd₂Fe₁₄B. For magnetiske «boble»-dataminner av særlig tynne filmer er fastoppløselighetsfaser av yttriumjerngranat, Y₃Fe₅O₁₂, aktuelle. Etter oppdagelsen av kjempemagnetoresistanseffekten på slutten av 1980-tallet ble det etter hvert vanlig å bruke magneter som nikkel jern (NiFe) i lesehodet til harddisker i datamaskiner. Albert Fert og Peter Grünberg ble tildelt Nobelprisen i fysikk i 2007 for deres oppdagelse av kjempemagnetoresistans, som har en kvantemekanisk opprinnelse.

Ferrofluorider har mange tekniske anvendelser; i magnetiske pakninger, i høyttalere m.m., men også i medisin. For eksempel brukes injisert ferrofluorid til kontroll/stopping av blodstrøm i arterier. Når partikkelstørrelsen er tilstrekkelig liten, fremviser ferromagnetiske materialer ikke lenger typisk oppførsel. Eksempelvis så blir remanensen null. Disse materialene betegnes da superparamagneter. I slik form benyttes jernoksider utfelt i monodisperse plastkuler, Ugelstad-kuler, til moderne kontrastmidler for magnetisk tomografi. I modifisert form brukes magnetiske Ugelstad-kuler i kreftterapi for visse typer blodkreft.