Magnes wytwarza pole magnetyczne. W pewnych ferromagnetykach wzajemne uporządkowanie momentów domen magnetycznych, wywołane zewnętrznym polem magnetycznym, nie znika nawet po usunięciu tego pola. Takie  ferromagnetyki nazywamy materiałami twardymi magnetycznie lub magnesami. Magnes to ciało wytwarzające stałe pole magnetyczne.

Z lekcji fizyki wiemy, że atom składa się z jądra i otaczającej go chmury elektronów – podstawowych nośników ładunków elektrycznych. Elektrony w atomie wykonują dwa ruchy jeden po orbicie wokół jądra atomu i drugi obrotowy wokół własnej osi (z angielska spin). Oba te ruchy można traktować analogicznie jak  przepływ ładunku elektrycznego w przewodniku i są one niczym innym jak przepływem elementarnych prądów, wokół których wytwarza się pole magnetyczne. Pole magnetyczne związane z ruchem elektronu po orbicie jest słabe i jego istnienie ujawnia się dopiero w silnych, zewnętrznych polach. Wielokrotnie silniejszym jest pole związane z ruchem obrotowym czyli ze spinem elektronu. Okazuje się, że  pojedynczy elektron można traktować jako elementarny magnes. Spiny  elektronów  przyjmują dwa przeciwstawne kierunki.

W większości pierwiastków atomy posiadają na orbitach wokół jądrowych parzystą wielokrotność elektronów o przeciwnie skierowanych spinach co powoduje, że pochodzące od nich pole magnetyczne wzajemnie się znosi i w związku z tym atomy tych pierwiastków nie wykazują na zewnątrz żadnego pola magnetycznego. Istnieje jednak grupa tzw. metali przejściowych, w których pewne orbity są obsadzone przez nieparzystą liczbę elektronów - w nomenklaturze fizycznej nazywa się to niesparowanymi spinami. W konsekwencji atomy metali przejściowych charakteryzują się trwałymi momentami magnetycznymi (będącymi odpowiednikami dipoli elektrycznych), a więc są źródłem pola magnetycznego. Do metali tych zaliczamy żelazo, kobalt, nikiel i metale grupy lantanu, np. samar Sm, neodym Nd, gadolin Gd.

Jednak sam fakt, że atomy niektórych metali wykazują trwały moment magnetyczny nie wystarcza do tego, aby np. sztabka wykonana z tego metalu wytwarzała wokół siebie pole magnetyczne. Potrzebne są jeszcze co najmniej dwa czynniki. Pierwszy to uporządkowanie momentów magnetycznych pochodzących od poszczególnych atomów takie, aby ich kierunek i zwrot był jednakowy. Zjawisko to zachodzi w ferromagnetykach, do których zaliczają się wszelkiego rodzaju kształtki wykonane np. z żelaza, niklu, kobaltu i ich stopów. Jednak  na zewnątrz tych kształtek pole magnetyczne jest nadal zerowe. Dzieje się tak dlatego, że obszary pełnego uporządkowania są przypadkowo rozrzucone w całej objętości kształtek co powoduje wzajemne znoszenie się pochodzących od nich pól. Obszary jednakowego ustawienia momentów nazywane są domenami magnetycznymi. Zastosowanie zewnętrznego, silnego pola magnetycznego powoduje uporządkowanie momentów magnetycznych w całej objętości kształtki, rys. 1a) i1b). Dla pewnej grupy materiałów uporządkowanie to pozostaje nawet po usunięciu zewnętrznego pola. Do tych materiałów zalicza się takie stopy jak alnico, neodym-żelazo-bor czy samar-kobalt oraz materiały ceramiczne jak ferryt baru lub strontu. Kształtki wykonane z wymienionych materiałów (zwanych także materiałami twardymi magnetycznie) to magnesy. W zależności od rodzaju materiału, z którego zostały wykonane, dzieli się je na: magnesy alnico; magnesy neodymowe; samarowo-kobaltowe lub ferrytowe barowe i strontowe.

a)

b)

 

 

Rys. 1. Rozkład domen magnetycznych w ferromagnetyku: a) bez zewnętrznego pola magnetycznego; b) w zewnętrznym polu magnetycznym.

Przedstawiony ferromagnetyk jest materiałem polikrystalicznym, w którym obszary pojedynczych ziaren pokrywają się z obszarami domen magnetycznych.

Magnes jest źródłem pola magnetycznego. Na rys. 2a). przedstawiony jest magnes w postaci prostopadłościennej sztabki, tak zwany magnes sztabkowy. Pole magnetyczne jest to przestrzeń wokół tego magnesu, w której magnes oddziałuje na ferromagnetyk określoną siłą. Siła oddziaływania jest stała wzdłuż pewnych linii zwanych liniami sił pola magnetycznego. Dobrą ilustracją obecności linii sił pola są tzw. figury proszkowe uzyskiwane w wyniku rozsypania drobnego proszku żelaza na kartkę papieru umieszczoną nad magnesem, rys. 2b).

Rys. 2. Schematyczny rysunek  linii sił pola magnetycznego wokół magnesu sztabkowego, (a) i ich ilustracja przy pomocy tzw. figur proszkowych, (b).

Pole magnetyczne może być stałe lub zmienne. Z polem stałym mamy do czynienia, gdy magnes stanowiący jego źródło znajduje się w spoczynku (stanowi element nieruchomego obwodu magnetycznego), zaś liczba linii sił tego pola przechodzących przez ustaloną powierzchnię jest stała i niezmienna w czasie. Jak uzyskać pole zmienne za pomocą magnesu stałego? Można magnes wprowadzić w ruch. Często używa się sformułowania magnes stały lub magnes trwały. Skąd pochodzą te określenia? No właśnie, magnes stały to konsekwencja tego, że jest źródłem stałego pola magnetycznego a magnes trwały to sugestia, że pole magnetyczne jest trwałe, nie zmienia się w czasie, w odróżnieniu od elektromagnesu, w którym wytwarzane pole magnetyczne można wyłączyć lub włączyć a także nim sterować w czasie zmniejszając lub zwiększają jego wartość.  Pola magnetycznego magnesu nie można wyłączyć nawet na chwilę.  Pole magnetyczne magnesu można usunąć jedynie w sposób trwały, rozmagnesowując go termicznie (podgrzewając powyżej pewnej temperatury) lub przy pomocy szybkozmiennego pola magnetycznego o zanikającej amplitudzie - wytwarzanego przez elektromagnes. Magnesowanie lub rozmagnesowanie magnetyków przebiega w magnetykach w sposób nieliniowy i podlega zjawisku tzw. histerezy (po grecku -  opóźnienie). Na rys. 3 przedstawiona jest przykładowa pętla histerezy magnetycznej.

 

Pętla histerezy magnetycznej

Rys.3. Przykładowa pętla histerezy magnetycznej ilustrująca magnesowanie ferromagnetyka, B = f(H).

Przedstawiony na rys. 3 przebieg magnesowania materiału magnetycznego, który po raz pierwszy został poddany temu procesowi pokazuje, że startując od zerowego pola magnetycznego poruszamy się po tzw. pierwotnej krzywej magnesowania, aż do namagnesowania nasycenia. Uważa się, że nasycenie techniczne osiąga się dla pola magnetycznego równego minimum Hs = 5 x Hc. Gdy od tego momentu zaczynamy zmniejszać pole stwierdzamy, że namagnesowanie nie spada do zera lecz dla H = 0 przyjmuje określoną wartość zwaną namagnesowaniem resztkowym lub indukcją remanencji, Br. Aby zmniejszyć namagnesowanie do zera należy magnesować materiał w kierunku przeciwnym aż do pewnej wartości pola magnetycznego zwanego polem powściągającym lub polem koercji – Hc. Dalsze magnesowanie prowadzi do namagnesowania do nasycenia lecz o zwrocie przeciwnym do poprzedniego.

Namagnesowanie magnetyka (materiału magnetycznego) można przedstawić w dwojaki sposób.

a) Pierwszy jako magnetyzację M czyli moment magnetyczny na jednostkę objętości magnetyka

M= μcałk/V

gdzie: M -magnetyzacja magnetyka mierzona w [kA/m] w układzie SI lub [Gs] w CGS;

μcałk -całkowity moment magnetyczny magnetyka;

V -objętość magnetyka.

Magnetyzacja jest wielkością materiałową, czyli taką która nie zależy od kształtu oraz wymiarów magnetyka i ma określoną wartość jedynie wewnątrz materiału. Poza nim jej równa  zero. Historycznie przyjęło się, że dla magnesów magnetyzację nazywa się polaryzacją i oznacza literą J.

 b) Drugi sposób jako indukcję magnetyczną B, która w układzieSI wyraża się wzorem

B= μ0H + M

gdzie: B-indukcja magnetyczna;

m0 -przenikalność magnetyczna próżni;

 H-pole magnetyczne magnesujące magnetyk;

 M-magnetyzacja magnetyka.