آهنربا
مبانی نظری > تقسیم‌بندی مواد از نظر رفتار مغناطیسی

مقالهٔ اصلی: میدان مغناطیسی
رفتار مغناطیسی مواد را می‌توان با توجه به ساختار اتم توصیف کرد. می‌دانیم که حرکت بار الکتریکی، میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند. الکترون کوچکترین واحد بار مغناطیسی است و حرکت آن درون اتم باعث ایجاد میدان مغناطیسی می‌شود. الکترون در اطراف هستهٔ اتم دو نوع حرکت دارد:
چرخش الکترون به دور خود که آن را حرکت اسپینی می‌نامند.
گردش الکترون به دور هسته که آن را حرکت اوربیتالی می‌نامند.
این حرکت‌ها هر دو باعث ایجاد گشتاور مغناطیسی می‌شوند. اگر گشتاور مغناطیسی تمام الکترون‌ها هم‌جهت بود، تمام مواد مغناطیسی می‌شدند؛ ولی در عمل چنین نیست. برای این امر دو دلیل وجود دارد:
در مورد حرکت اسپینی الکترون‌ها، طبق اصل طرد پاولی، دو الکترون با اسپین‌های مشابه نمی‌توانند در یک اوربیتال قرار بگیرند. یعنی گشتاورهای مغناطیسی دو الکترون در یک اوربیتال باید مخالف هم باشند (یکی به یک سمت و دیگری به مخالف) و به همین دلیل گشتاورهای مغناطیسی یکدیگر را خنثی می‌کنند.
در مورد حرکت اوربیتالی، در یک لایهٔ الکترونی که کاملاً از الکترون‌ها پُر شده، گشتاورهای مغناطیسی یکدیگر را خنثی می‌کنند. اکثر عنصرها، لایه‌های الکترونی پر شده دارند و بنابراین برآیند گشتاورهای مغناطیسی اتم‌های آن‌ها صفر است.
اما در عنصرهایی که لایه‌های الکترونی پر نیستند، مانند بعضی عنصرهای فلزهای واسطه یا سری‌های لانتانیدها و اکتینیدها، برآیند گشتاور مغناطیسی صفر نیست؛ بنابراین هر اتم این عنصرها یک گشتاور مغناطیسی دائمی ایجاد می‌کند و مانند یک دو قطبی مغناطیسی رفتار می‌کند. وقتی عنصر یا ماده مرکبی در معرض میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، برآیند میدان مغناطیسی نهایی وابسته به چگونگی واکنش دوقطبی‌های مغناطیسی به میدان اعمال شده دارد. بر این اساس می‌توان مواد را به شش دسته تقسیم کرد:
مواد دیامغناطیسی: هنگامی که این مواد در یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرند، الکترون‌ها به گونه‌ای جهت‌گیری می‌کنند که جهت گشتاور مغناطیسی‌شان مخالف جهت میدان خارجی می‌شود. مواد دیامغناطیسی توسط هر دو قطب آهنربا دفع می‌شوند. موادی مانند مس، نقره، طلا، سیلیسیم و آلومینا (Al2O3) جزء مواد دیامغناطیسی هستند.
مواد پارامغناطیسی: این ویژگی در موادی یافت می‌شود که الکترون‌های جفت نشده دارند. با اعمال یک میدان مغناطیسی خارجی به این مواد، گشتاور مغناطیسی الکترون‌های جفت نشده با میدان همسو شده و آن را تقویت می‌کنند. در نتیجه این مواد جذب میدان مغناطیسی می‌شوند. البته برای همسو کردن تمام دوقطبی‌ها به میدان‌های خیلی بزرگی نیاز است و با حذف میدان خارجی، میدان القا شده در مواد پارامغناطیس نیز از بین می‌رود. آلومینیم، تیتانیم و برخی آلیاژهای مس نمونه‌هایی از مواد پارامغناطیسی هستند.
مواد فرومغناطیسی: در این مواد نیز الکترون‌های جفت نشده‌ای وجود دارد که گشتاور مغناطیسی ایجاد می‌کنند. گشتاورهای مغناطیسی این مواد به‌طور خود به خود تمایل دارند با هم همسو شوند. اما این اتفاق فقط در دمای صفر مطلق رخ می‌دهد چرا که در بالاتر از این دما، جنبش ذرات ماده به دلیل افزایش دما موجب برهم خوردن آرایش مغناطیسی دوقطبی‌ها می‌شود. با قرار گفتن در یک میدان مغناطیسی خارجی، گشتاورها با میدان خارجی همسو می‌شوند و میدان را تقویت می‌کنند. پس از حذف میدان خارجی نیز گشتاورهای مغناطیسی جهت خود را حفظ کرده و ماده به آهنربای دائمی تبدیل می‌شود. تنها سه عنصر آهن، نیکل و کبالت و برخی ترکیبات آن‌ها و نیز برخی ترکیبات عنصرهای خاکی کمیاب فرومغناطیسی هستند.
مواد آنتی‌فرومغناطیسی: در این مواد، جهت‌گیری گشتاورهای مغناطیسی اتم‌ها یا یونهای مجاور هم به گونه‌ای است که یکدیگر را خنثی می‌کنند و مغناطش خالص ماده صفر می‌شود. هنگامی که این مواد در میدان مغناطیس قرار می‌گیرند، گشتاورهای همسو با میدان کمی تقویت می‌شوند و ماده خاصیت مغناطیسی ضعیفی از خود نشان می‌دهد. موادی مانند منگنز، کروم، و منگنز اکسید (MnO) از این دسته هستند.
مواد فِری‌مغناطیسی: در این مواد نیز جهت‌گیری گشتاورهای مغناطیسی اتم‌ها یا یون‌های مجاور در خلاف جهت یکدیگر است اما چون اندازهٔ آن‌ها برابر نیست، تمام گشتاورها خنثی نمی‌شوند. این گشتاورها با قرار گرفتن در یک میدان خارجی با هم همسو می‌شوند و میدان را تقویت می‌کنند. فری‌مغناطیس‌ها پس از حذف میدان خارجی نیز خاصیت مغناطیسی خود را حفظ می‌کنند و تبدیل به آهنربای دائمی می‌شوند. کانی مگنتیت (اکسید آهن Fe3O4) نمونه‌ای از این مواد است.
مواد اَبَرپارامغناطیسی: این‌ها مواد فرومغناطیسی یا فری‌مغناطیسی‌ای هستند که اندازهٔ دانه‌های تشکیل دهنده ذراتشان از یک حد بحرانی معین کوچکتر است. در این اندازه‌های کوچک، دوقطبی‌های مغناطیسی تحت تأثیر جنبش ذرات ناشی از انرژی گرمایی ماده قرار می‌گیرند و به‌طور تصادفی جهت خود را تغییر می‌دهند. در این حالت ماده به گونه‌ای رفتار می‌کند که به نظر می‌رسد مغناطش خالص آن صفر است. ذرات اکسید آهن (Fe3O4) در اندازهٔ ۲ تا ۳ نانومتر نمونه‌ای از یک مادهٔ ابرپارامغناطیس هستند.
با توجه به آنچه گفته شد، فقط مواد فرومغناطیسی و فری‌مغناطیسی قابلیت تبدیل شدن به آهنربای دائمی را دارند.