Magneetikud

Magneetikud on ained, mis on võimelised reageerima neile mõjuvale magnetväljale. Magneetikute liigi määrab nende magnetiline vastuvõtlikkus formula_1. See ühikuta suurus on võrdeline aine magneetumusega formula_2 ja pöördvõrdeline magnetvälja tugevusega formula_3:
formula_4.
Magnetmoment.
Magnetvälja erinevus aines ja vaakumis on tingitud aatomitel esinevast magnetmomendist. See on seletatav Bohri aatomiteooriaga, mille kohaselt elektronid on aatomi ringorbiidil. Nende suunatud liikumine põhjustab ringvoolu, mis omakorda tekitab selle tsentrisse magnetvälja. Tekkinud magnetmoment on defineeritud kui formula_5 (ühik A·m.2, kuʂ formula_6 tähistab voolu ja formula_7 pindala. Välja rakendamisel ainele orienteeritakse aatomid vastavalt oma momendile välja jõujoonte suunas. Summaarse magnetmomendi kirjeldamiseks kasutatakse terminit magneetumusvektor (M). Selle suuruse väärtus sõltub mõningatest teguritest, näiteks temperatuurist, aatomite vahel olevast jõust ning magnetvälja tugevusest ja suunastː 
formula_8.
Valemis kujutatakse summeerimist üle magnetmomentide ning jagamist vastava ruumalaga.
Magneetikute liigid.
Sõltuvalt magnetilise vastuvõtlikkuse märgist ja suurusest liigitatakse kõik magneetikud põhirühmadesse:
Paramagnetism ja paramagneetikud.
Paramagneetikuteks nimetatakse aineid, mille aatomite magnetmoment erineb nullist vähe (kuid on positiivne) . Kui me mõjutame neid magneetikuid välise magnetväljaga, siis see püüab aine aatomite magnetmomenti orienteeruda piki H suunda. Samas aga teeb soojusliikumine vastutööd, üritades neid suundi ühtlaselt igale poole laiali paisata. Sellest tulenevalt sõltub magnetväli aines välisest väljast ja temperatuurist. Kui me loobuksime välisväljast H, siis spinnide kindel orientatsioon rikutakse. Seetõttu kaob sisemine magnetväli B. Magnetmomendi sõltuvust temperatuurist kirjeldas Pierre Curie.
Paramagneetikud on näiteks alumiinium, vask, kroom, vasksulfaat, vedel lämmastik, kaalium ja mangaan .
Nende ainete aatomid sisaldavad enamasti elektrone, mille spinnid on samasuunalised. See annab aatomitele polaarsuse.
Magneetumuse sõltuvus temperatuurist.
Nõrkade magnetväljade puhul kirjeldab magneetumuse formula_2 sõltuvust absoluutsest temperatuurist formula_14 Curie seadus. See ütleb, et aine magnetiline vastuvõtlikkus formula_1 on pöördvõrdeline absoluutse temperatuuriga ning võrdeline selle aine Curie konstandiga formula_16: 
formula_17
kus formula_3 on magnetvälja tugevus.
Diamagnetism ja diamagneetikud.
Väli, mis tekib diamagneetikutes, on vastupidine nendele mõjuvale magnetväljale. Erinevalt ferromagneetikutest, pole diamagneetikud püsimagneetikud. Diamagnetism on võimalik kvantmehaanika tõttu ja see ilmneb, kui väline väli muudab orbitaalidel olevate elektronide kiirust ümber tuuma ning see mõjutab magnetilist dipoolmomenti. Lähtuvalt Lenzi seadusest, on elektronide tekitatud magnetväli vastupidi talle mõjunud välja suhtes. Magnetiline vastuvõtlikkus µ0 diamagneetikutel on alla 1. Suurema osa materjalide diamagnetismi efekt on nõrk. Kuid eksisteerib ka ülijuhte, kus on tugev kvantefekt, nendest ainetest tõrjutakse magnetväli täielikult.
Ajalugu.
Diamagneetikud avastas Sebald Justinus Brugmans aastal 1778. Ta pani tähele, et vismut ja antimon tõrjusid magnetvälja. Nimetuse diamagnetism mõtles välja Michael Faraday aastal 1845.
Diamagnetite levitatsioon.
Diamagneetikud suudavad leviteerida (hõljuda) magnetvälja tasakaalulises seisundis, ilma jõu kuludeta. Earnshaw' teoreem välistab staatilise magnetilise levitatsiooni. Kuid see teoreem rakendub ainult materjalidele, mis omavad positiivset momenti. Üks tuntuim leviteerimise viis kaasneb Meissneri efektiga. See ei toimu harilike diamagneetikutega, mille vastuvõtlikkus läheneb miinus ühele, kui külmutame teda väga madalale temperatuurile. Neid materjale kutsutakse ülijuhtideks ning need ained saavad leviteerida magnetite kohal. Selle põhjus seisneb selles, et ülijuht ei lase magnetväljal ennast läbida. Iseloomulikku leviteerimist kutsutakse Meissneri efektiks.
Ferromagnetism ja ferromagneetikud.
Ferromagneetikud moodustavad erilise klassi magneetikute hulgas. Nad on võimelised magneetuma isegi välise magnetvälja puudumisel. Ferromagneetikud on saanud nimetuse selle kõige levinuma esindaja, raua järgi. Samas kuuluvad selle rühma hulka veel: nikkel, koobalt, gadoliinium, nende sulamid ja ühendid, samuti mõningad mangaani ja kroomi sulamid ning ühendid mitteferromagnetiliste elementidega (näiteks MnAlCu, CrTe jne). Nende erivastuvõtlikkus on väga suur – kuni 106, ületades dia- ja paramagneetikute vastuvõtlikkuse tohutu arv kordi.
Ferromagneetikute magneetumine ei allu lineaarsele kasvule ja kahanemisele. Nimelt esineb küllastusmagneetuvus formula_19, millest kõrgemale magnetväli aines ei saa kasvada. Vastav magnetinduksioon on formula_20. Niisugust mittelineaarse kasvu ja kahanemise nähtust nimetatakse magnetiliseks hüstereesiks ja selle kirjeldamiseks kasutatakse hüstereesisilmust.
Ajalugu.
Ajalooliselt on nimetatud ferromagnetiteks aineid, mis suutsid ilma välise välja puudumiseta tekitada magnetvälja, see tähendab, et neil olid magnetilised omadused. Ühe olulisema uuringu ferromagneetikute kohta on teinud Aleksandr Stoletov, nimelt vaatles ta nende magnetilist läbilaskvust. Vastavat funktsiooni kutsutakse Stoletovi kurviks.
Hüstereesisilmus.
Ferromagneetiku magneetumust annab väga hästi kirjeldada hüstereesisilmusega. Horisontaalsel koordinaadil on rakendatav magnetväli H ja vertikaalsel koordinaadil on aine magnetväli B. Graafikul olevat teekonda formula_21 nimetatakse magneetumuse algkõveraks. Välise (magneetiva) magnetvälja suurendamisel magnetvälja tiheduse kasv aines aeglustub, kuni magneetumus jõuab küllastusväärtuseni. Samas, kui hakata välist magnetvälja vähendama, saavutatakse punkt, mida nimetatakse jääkmagneetumuseks formula_22. formula_23. Selles kohas puudub väline magnetväli, kuid esineb aine magnetväli formula_24. Selle efekti olemasoluga on seletatav püsimagneti omadus tekitada magnetvälja, ilma et ta asuks magnetväljas. Jääkmagneetumuse punktist edasi minnes ehk rakendades negatiivse suunaga magneetuvat välja, saavutatakse koertsitiivsupunkt formula_25. Selles punktis varasem magneetumus nullistub välise välja toimel. Suurendades veel negatiivset välja, saavutame negatiivse küllastusmagneetumuse. Vähendades nüüd negatiivse välismagnetvälja absoluutväärtust, käitub hüstereesisilmus analoogselt. Hüstereesisilmuse pindala võrdub tööga, mis kulub ümbermagneetimiseks.
Hüstereesisilmuse järgi liigitatakse ferromagneetikud järgmiselt.
Domeenid.
Võib mõelda, et iga ferromagneetiku tükk omab magnetvälja oma samasuunaliste spinnide (magnetmomentide) tõttu. Samas on aga paljud ferromagneetikud magneetumata. Põhjus seisneb selles, et enamus ferromagneetiku materjalist on jaotunud väikesteks magnetilisteks domeenideks, mida nimetatakse ka spontaanse magneetumuse piirkondadeks. Nende mõõtmed jäävad suurusjärku formula_27 m. Igal domeenil on ferromagneetik spontaanselt küllastuseni magneetunud ja omab teatud magnetmomenti M. Välise välja puudumisel omavad naaberdomeenid üksteist kustutavat magnetmomenti, sellest tulenev summaarne moment on 0. Põhjus, miks tekivad sellised struktuurid, on selles, et eksisteerib naaberaatomite d- või f-elektronide vahetusmõju. Seepärast tekib side samasuunaliste spinnidega elektrone sisaldavate orbitaalide vahel.