1) особлива форма взаємодії між електричними струмами, між струмами і магнітами (тобто тілами з магнітним моментом) і між магнітами;
2) розділ фізики, що вивчає цю взаємодію і властивості речовин (магнетиків), у яких вона проявляється.
Основні прояви магнетизму. У найбільш загальному вигляді Магнетизм можна визначити як особливу форму матеріальних взаємодій, що виникають між рухомими електрично зарядженими частинками. Передача магнітної взаємодії, що реалізує зв'язок між просторово-розділеними тілами, здійснюється магнітним полем. Воно являє собою поряд з електричним полем один з проявів електромагнітної форми руху матерії (див. Електромагнітне поле). Між магнітними і електричними полями немає повної симетрії. Джерелами електричного поля є електричні заряди, але аналогічних магнітних зарядів поки що не спостерігали в природі, хоча гіпотези про їхнє існування висловлювалися (див.Магнітний монополь). Джерело магнітного поля — рухомий електричний заряд, тобто електричний струм. В атомних масштабах для електронів і нуклонів (протонів, нейтронів) є два типи мікроскопічних струмів — орбітальні, пов'язані з переносом центра ваги цих частинок в атомі, і спінові, пов'язані з їхнім внутрішнім рухом.
Кількісною характеристикою магнетизму частинок є їхні орбітальний і спіновий магнітні моменти. Оскільки всі мікроструктурні елементи речовин — електрони, протони і нейтрони — мають магнітні моменти, то й будь-які їхні комбінації — атомні ядра і електронні оболонки, а також комбінації їхніх комбінацій, тобто атоми, молекули і макроскопічні тіла, можуть у принципі бути джерелами магнетизму. Т. ч., по суті всі речовини мають магнітні властивості. Відомі два основні ефекти дії зовнішнього магнітного поля на речовини. По-перше, відповідно до закону електромагнітної індукції Фарадея зовнішнє магнітне поле завжди створює в речовині такий індукційний струм, магнітне поле якого спрямоване проти початкового поля (правило Ленца). Тому створюваний зовнішнім полем магнітний момент речовини завжди спрямований протилежно зовнішньому полю (див. Діамагнетизм). По-друге, якщо атом має відмінний від нуля магнітний момент (спіновий, орбітальний або обидва), то зовнішнє поле прагнутиме зорієнтувати його вздовж свого напрямку. В результаті виникає паралельний полю магн. момент, який називається парамагнітним (див. Парамагнетизм).
Істотний вплив на магнітні властивості речовини можуть чинити також внутрішні взаємодії (електричної і магнітної природи) між мікрочастинками — носіями магнітного моменту (атомами та ін.). У деяких випадках завдяки цим взаємодіям виявляється енергетично вигіднішим, щоб у речовині існувала самочинна (не залежна від зовнішнього поля) впорядкованість в орієнтації магнітних моментів частинок (атомний магнітний порядок). Речовини, в яких атомні магнітні моменти орієнтовані паралельно одне одному, називаються феромагнетиками (див. Феромагнетизм), відповідно антиферомагнетиками називаються речовини, в яких сусідні атомні моменти розташовані антипаралельно (див. Антиферомагнетизм). Крім таких колінеарних феро- і антиферомагнітних атомних структур, спостерігаються й неколінеарні (гвинтові, трикутні та ін.).
Складність атомної структури речовин, побудованих з величезної кількості атомів, призводить до практично невичерпного розмаїття їхніх магнітних властивостей. При розгляді магнітних властивостей речовин для них вживають загальний термін «магнетики». Взаємозв'язок магнітних властивостей речовин з їхніми немагнітними властивостями (електричними, механічними, оптичними тощо) дозволяє дуже часто використовувати дослідження магнітних властивостей як джерело інформації про внутрішню структуру мікрочастинок і тіл макроскопічних розмірів. Величезний діапазон магнітних явищ, що простягається від магнетизму елементарних частинок до Магнетизму космічних тіл (Землі, Сонця, зір та ін.), пояснює глибокий інтерес до Магнетизму з боку багатьох наук (фізики, астрофізики, хімії, біології) і його широке застосування в техніці. Розгляду пов'язаних з цим питань присвячені статті: Сонячний вітер, Земний магнетизм, Магнітосфера, Магнітне поле, Магнітна гідродинаміка, Магнітна структура атомна, Магнітні матеріали, Магніт постійний та ін.
Магнетизм речовин. Макроскопічний опис магнітних властивостей речовин зазвичай проводиться в рамках теорії електромагнітного поля (див. Рівняння Максвелла), термодинаміки і статистичної фізики. Однією з основних макроскопічних характеристик магнетика, що визначають його термодинамічний стан, є вектор намагніченості J (сумарний магн.ітний момент одиниці об'єму магнетика). Вектор J — функція напруженості магнітного поля Н. Графічно залежність J(H) зображується кривою намагнічування, яка має різний вигляд у різних магнетиків. У ряді речовин між J і Н існує лінійна залежність: J=μH, де μ — магнітна сприйнятливість одиниці об'єму речовини (у діамагнетиків μ<0, у парамагнетиків μ>0). У феромагнетиків J пов'язана з H нелінійно; у них сприйнятливість залежить не тільки від температури Т і властивостей речовини, але й від поля H.
Термодинамічно намагніченість J магнетика визначається через термодинамічний потенціал Ф(Н, Т, р) за формулою: J=-(dФ/dН)T,p де (р — тиск). У свою чергу, розрахунок Ф(Н, Т, р) ґрунтується на співвідношенні Гіббса — Богуславського: Ф= -kT lnZ(H, T,p), де Z(H,Т,р)— статистична сума.
Із загальних положень класичної статистичної фізики випливає, що електронні системи не можуть мати термодинамічно стійкого магнітного моменту (теорема Бора — ван Левен), але це суперечить досліду. Квантова механіка, яка пояснила стійкість атома, дала пояснення і Магнетизму атомів і макроскопічних тіл. Магнетизм атомів і молекул зумовлений спіновими магнітними моментами їхніх електронів, рухом електронів в оболонках атомів і молекул (т. зв. орбітальним Магнетизмом ), спіновим і орбітальним Магнетизмом нуклонів ядер. У багатоелектронних атомах додавання орбітальних і спінових магн. моментів здійснюється за законами просторового квантування — результівний магнітний момент μj визначається повним кутовим квантовим числом j і дорівнює: μj=пj√(j(j+1)μБ),де gj — множник Ланде, μБ — магнетон Бора.
У атомів інертних газів (Не, Ar, Ne та ін.) електронні оболонки магнітно нейтральні (їхній сумарний магнітний момент дорівнює нулю). У зовнішньому магнітному полі інертні гази проявляють діамагнітні властивості. Електронна оболонка атомів лужних металів (Li, Na, K та ін.) має лише спіновий магнітний момент валентного електрона, орбітальний магнітний момент цих атомів дорівнює нулю. Внаслідок цього атоми лужних металів парамагнітні. В атомів перехідних металів (Fe, Co, Ni, рідкісноземельних металів (РЗМ) та ін.) не добудовані d- і f- шари їхніх електронних оболонок. Спінові і орбітальні магн. моменти електронів цих шарів не скомпенсовані, що призводить до існування в ізольованих атомів Fe, Co, Ni і РЗМ значного магнітного моменту.
Магнітні властивості речовин визначаються природою атомних носіїв Магнетизму і характером їхніх взаємодій. Навіть речовина одного й того самого хімічного складу залежно від зовнішніх умов, а також кристалічної або фазової структури (наприклад, ступеня впорядкування атомів у сплавах тощо) може мати різні магнітні властивості. Наприклад, Fe, Со і Ni в кристалічному стані нижче певної температури (точка Кюрі) мають феромагнітні властивості, вище точки Кюрі вони парамагнітні. Те саме спостерігається і в антиферомагнетиків, їхню критичну температуру називають точкою Нееля. У деяких РЗМ між феро- і парамагнітною температурними областями існує антиферомагнітна область.
Кількісно взаємодію між атомними носіями Магнетизму в речовині можна охарактеризувати величиною енергії цієї взаємодії εвз, розрахованою на окрему пару частинок — носіїв магнітного моменту. Енергію εвз, зумовлену електричною і магнітною взаємодією частинок, можна зіставити з величинами енергій ін. атомних взаємодій: з енергією частинки, що має магнітний момент порядку ≈μБ у деякому ефективному магнітному полі Hефф, тобто з εH=μБHефф, і із середньою енергією теплового руху частинки за деякої ефективної критичної температури Тk, тобто εT=kTk (Hефф і Тk слугують мірами енергії взаємодії частинок). За значень напруженості зовнішнього поля H>>Hефф або Т>>Тk домінуватимуть зовнішні фактори — температура або поле, що пригнічують ефекти внутрішньої взаємодії («слабкий» Магнетизм речовин). Ця класифікація формальна, оскільки не розкриває фізичної природи Hефф і Tk. Для повного з'ясування природи магнітних властивостей речовини необхідно знати не тільки величину енергії εвз порівняно з εT або εH, але й її фізичне походження і характер магнітного моменту носіїв (орбітальний або спіновий). Якщо виключити випадок ядерного Магнетизму, то в електронних оболонках атомів і молекул, а також в електронній системі конденсованих речовин (рідини, кристали) діють два типи сил — електричні і магнітні. Мірою електричної взаємодії може слугувати електростатична енергія εел двох електронів, що перебувають на атомній відстані a (a=10-8 см): εел=е2/а=2,57*10-11 ерг. Мірою магнітної взаємодії слугує енергія зв'язку двох мікрочастинок, що мають магнітні моменти μБ і перебувають на відстані а, тобто εмагн=μ2Б/a3»10-15 ерг. Т. ч., εелперевищує енергію εмагн на три-чотири порядки. У зв'язку з цим збереження намагніченості феромагнетиками (Fe, Co, Ni) до температур T=1000К може бути зумовлене лише електричною взаємодією, оскільки за енергії εмагн=10-16 ерг тепловий рух зруйнував би орієнтувальну дію магнітних сил вже при 1 К. Згідно з квантовою механікою, поряд з кулонівською електростатичною взаємодією заряджених частинок існує також чисто квантова електростатична обмінна взаємодія, що залежить від взаємної орієнтації магнітних моментів електронів. Ця частина взаємодії, електростатична за своєю природою, чинить істотний вплив на магнітний стан електронних систем. Зокрема, ця взаємодія сприяє впорядкованій орієнтації магнітних моментів атомних носіїв магнетизму. Верхня межа енергії обмінної взаємодії εоб=10-13 ерг.
Значення εоб>0 відповідає паралельній орієнтації атомних магнітних моментів, тобто самочинній (спонтанній) намагніченості феромагнетиків. При εоб<0 має місце тенденція до антипаралельної орієнтації сусідніх магнітних моментів, характерної для атомної магнітної структури антиферомагнетиків. У кристалах сплавів і сполук можлива т. зв. змішана обмінна взаємодія, коли між різними вузлами кристалічної ґратки знаки εоб протилежні. Викладене дозволяє провести таку фізичну класифікацію магнітних властивостей речовин.
I. Магнетизм слабко взаємодіючих частинок (εвз<<-μБH або εвз<
Переважання діамагнетизму. До речовин з діамагнітними властивостями належать:
а) усі інертні гази, а також гази, атоми або молекули яких не мають власного результівного магнітного моменту. Їхня магнітна сприйнятливість негативна і дуже мала за абсолютною величиною (молярна сприйнятливість χ порядку —(10-7—10-5)); від температури вона практично не залежить;
б) органічні сполуки з неполярним зв'язком, в яких молекули або радикали або не мають магнітного моменту, або парамагнітний ефект у них пригнічений діамагнітним; у цих сполук c порядку —106 і також практично не залежить від температури, але має помітну анізотропію (див. Магнітна анізотропія);
в) рідкі і кристалічні речовини: деякі метали (Zn, Au, Hg та ін.); розчини, сплави і хімічні сполуки (наприклад, галогени) з переважанням діамагнетизму іонних остовів (іони, подібні до атомів інертних газів, Li+ , Be2+ , Al3+, Cl- тощо). Магнетизм цієї групи речовин схожий на Магнетизм «класичних» діамагнітних газів.
Переважання парамагнетизму характерне:
а) для вільних атомів, іонів і молекул, що мають результівний магнітний момент. Парамагнітні гази O2, NO, пари лужних і перехідних металів. Сприйнятливість їх χ=10-3—10-5 і за не дуже низьких температур і не дуже сильних магнітних полів (μБH/kT<<1) не залежить від поля H, але істотно залежить від температури — для c має місце закон Кюрі: χ=C/T, де С — стала Кюрі;
б) для іонів перехідних елементів у рідкій фазі, а також у кристалах за умови, що магнітно-активні іони слабко взаємодіють один з одним і їхнє найближче оточення в конденсов. фазі слабко впливає на їхній парамагнетизм. За умови μБH/kT<<1 їхня сприйнятливість c не залежить від H, але залежить від T — має місце закон Кюрі— Вейса: χ=С`/(Т-Δ), де С` і Δ — константи речовини; в) для феро- і антиферомагнітних речовин вище точки Кюрі q.
II. Магнетизм електронів провідності в металах і напівпровідниках. Парамагнетизм електронів провідності (спіновий парамагнетизм) спостерігається у лужних (Li, K, Na та ін.), лужноземельних (Ca, Cr, Ba, Ra) і перехідних металів (елементів з недобудованими 3d-, 4d- і 5d-оболонками, крім Fe, Ni, Co і Mn, Cr). Сприйнятливість їх мала (χ=10-5), не залежить від поля і слабко змінюється з температурою. У ряду металів (Cu, Ag, Au та ін.) цей парамагнетизм маскується сильнішим діамагнетизмом іонних остовів. Діамагнетизм електронів провідності в металах (діамагнетизм Ландау) властивий усім металам, але в більшості випадків його маскує або сильніший спіновий електронний парамагнетизм, або діа- чи парамагнетизм іонних остовів. Пара- і діамагнетизм електронів провідності в напівпровідниках. Порівняно з металами в НП мало електронів провідності, але їхня кількість зростає з підвищенням температури; c у цьому випадку також залежить від Т. Магнетизм надпровідників зумовлений електричними струмами, що течуть у тонкому поверхневому шарі товщиною ≈10-5 см. Ці струми екранують товщу надпровідника від зовнішніх магнітних полів, тому в масивному надпровіднику при T
III. Магнетизм речовин з атомним магнітним порядком (εвз>>μБH або εвз>>kT).
Феромагнетизм має місце в речовинах з позитивною обмінною енергією (εоб>0): у кристалах Fe, Со, Ni, ряді РЗМ (Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb), у сплавах і сполуках за участю цих елементів, а також у сплавах Cr, Mn і в сполуках U. Для феромагнетизму характерна самочинна намагніченість при температурах T<θ, при T>θ феромагнетики переходять або в парамагнітний, або в антиферомагнітний стан (останнє спостерігається, напр., у деяких РЗМ). Однак з досліду відомо, що за відсутності зовнішнього поля феромагнітні тіла не мають результівної намагніченості (якщо виключити вторинне явище залишкової намагніченості). Це пояснюється тим, що при H=0 феромагнетик розбивається на велику кількість мікроскопічних областей самочинного намагнічування — доменів. Вектори намагніченості окремих доменів орієнтовані так, що сумарна намагніченість феромагнетика дорівнює нулю. У зовнішньому полі доменна структура змінюється, феромагнітний зразок набуває результівної намагніченості (див. Намагнічування).
Антиферомагнетизм має місце в речовинах з негативною обмінною енергією (εоб<0): у кристалах Cr і Mn, ряді РЗМ (Ce, Pr, Nd, Sm, Eu), а також у численних сполуках і сплавах за участю елементів перехідних груп.
Кристалічна ґратка цих речовин розбивається на т. зв. магнітні підґратки, вектори самочинної намагніченості Jki яких або антипаралельні (колінеарний антиферомагнітний зв'язок), або спрямовані одне до одного під кутами, відмінними від 0 і 180° (неколінеарний зв'язок, (див. Магнітна структура атомна). Якщо сумарний момент усіх магнітних підґраток в антиферомагнетику дорівнює нулю, то має місце скомпенсований антиферомагнетизм; якщо ж є відмінна від нуля різницева самочинна намагніченість, то спостерігається нескомпенсований антиферомагнетизм, або феримагнетизм, який реалізується головним чином у кристалах оксидів металів з кристалічною ґраткою типу шпінелі, гранату, перовскіту та ін. мінералів (їх називають феритами). Ці речовини за електричними властивостями — НП і діелектрики, за магнітними властивостями вони схожі на звичайні феромагнетики. При порушенні компенсації магнітних моментів в антиферомагнетиках через слабку взаємодію між атомними носіями Магнетизму в ряді випадків виникає дуже мала самочинна намагніченість речовин (≈0,1% від звичайних значень для феро- і феримагнетиків), які називаються слабкими феромагнетиками (наприклад, гематит α-Fe2O3, карбонати ряду металів, ортоферити; (див. Слабкий феромагнетизм). Існує відмінність у характері атомних носіїв магнітного моменту в феро- і антиферомагнітних d- і f-металах, металевих сплавах і сполуках і непровідних кристалах. У d-металах і сплавах основними носіями атомного магнітного моменту є електрони колишнього недобудованого d-шару ізольованих атомів. Зумовлений ними феро- або антиферомагнетизм пов'язаний з проявом обмінної взаємодії в системі колективізованих d-електронів.
У 4 f-металах і діелектричних кристалах упорядковані атомні магнітні структури утворені магнітними моментами, локалізованими поблизу вузлів кристалічної ґратки, зайнятих магнітно-активними іонами. Існує також упорядкований Магнетизм в аморфних твердих тілах (у переохолоджених рідинах, т. зв. металевих склах), що мають ряд специфічних властивостей, відмінних від магнітних властивостей кристалічних магнетиків.
Великий інтерес становлять також речовини, названі спіновими склами, в яких є атомне впорядкування, але відсутнє впорядкування локалізованих атомних спінових або орбітальних магнітних моментів.
Магнітний стан феро- або антиферомагнетика в зовнішньому магнітному полі Н визначається, крім величини поля, ще й попередніми станами магнетика (магнітною передісторією зразка). Це явище називається гістерезисом. Магнітний гістерезис проявляється в неоднозначності залежності J від Н (у наявності петлі гістерезису). Завдяки гістерезису для розмагнічування зразка виявляється недостатнім усунути зовнішнє поле, при H=0 зразок збереже залишкову намагніченість Jr. Для розмагнічування зразка потрібно прикласти зворотне магнітне поле Нc, яке називається коерцитивною силою. Залежно від значення Нc розрізняють магнітно-м'які матеріали (Hc<800 А/м або 10 Е) і магнітно-тверді, або висококоерцитивні, матеріали (Hc>4 кА/м або 50 Е). Jr і Нc залежать від температури і, як правило, спадають з її підвищенням, прямуючи до нуля з наближенням Т до θ.
Наукові і технічні проблеми магнетизму.
Основними науковими проблемами сучасного вчення про магнетизм є:
1) з'ясування природи обмінної взаємодії і взаємодій, що зумовлюють анізотропію в різних типах магнітовпорядкованих кристалів; пояснення спектрів елементарних магнітних збуджень (магнонів) і механізмів їхньої взаємодії між собою, а також з фононами, електронами провідності та ін.;
2) створення теорії переходу з парамагнітного в феромагнітний стан. Дослідження Магнетизму речовин застосовується як засіб вивчення хімічних зв'язків і структури молекул (магнетохімія). Вивчення діа- і парамагнітних властивостей газів, рідин, розчинів, сполук у твердій фазі дозволяє розібратися в деталях фізичних і хімічних процесів, що відбуваються в цих тілах, і в їхній структурі. Вивчення магнітних динамічних характеристик (магнітного резонансу і релаксаційних процесів) допомагає зрозуміти кінетику багатьох фізичних і фізико-хімічних процесів у різних речовинах. Інтенсивно розвивається магнітобіологія.
До найважливіших проблем Магнетизму космічних тіл належать: з'ясування походження магнітних полів Землі, планет, Сонця, зір (зокрема, пульсарів), позагалактичних радіоджерел (радіогалактик, квазарів та ін.), а також ролі магнітних полів у космічному просторі.
Проблеми технічного застосування Магнетизму входять до числа найважливіших проблем електротехніки, радіотехніки, електроніки, приладобудування і обчислювальної техніки, навігації, автоматики і телемеханіки. У техніці широке застосування знайшли магнітна дефектоскопія і магнітні методи контролю. Магнітні матеріали йдуть на виготовлення магнітопроводів генераторів, моторів, трансформаторів, реле, магн. підсилювачів, елементів магнітної пам'яті, стрілок компасів, стрічок магнітного запису тощо.
Історична довідка.
Перші письмові свідчення про Магнетизм (Китай) мають понад двохтисячолітню давність. У них згадується про застосування природних постійних магнітів як компасів. У працях давньогрецьких і римських учених є згадка про притягання і відштовхування магнітів і про намагнічування в присутності магніту залізних ошурок (наприклад, у римського поета і філософа-матеріаліста Лукреція в поемі «Про природу речей», 1 ст. до н. е.). За доби середньовіччя в Європі почав широко застосовуватися магнітний компас (з 12 ст.), були зроблені спроби експериментального вивчення властивостей магнітів різної форми (франц. вчений П'єр де Марикур, 1269). Результати досліджень Магнетизму за доби Відродження були узагальнені в праці англ. фізика У. Гілберта «Про магніт, магнітні тіла і про великий магніт — Землю» (1600). Гілберт показав, зокрема, що Земля — магнітний диполь, і довів неможливість роз'єднання двох різнойменних полюсів магніту. Далі вчення про Магнетизм розвивалося в працях франц. вченого Р. Декарта, російського вченого Ф. Епінуса і франц. фізика Ш. Кулона. Декарт був автором першої докладної метафізичної теорії Магнетизму і геомагнетизму («Начала філософії», ч. 4, 1644); він виходив з існування особливої магнітної субстанції, що зумовлює своєю присутністю і рухом Магнетизм тіл.
У трактаті «Досвід теорії електрики і магнетизму» (1759) Епінус підкреслив аналогію між електр. і магн. явищами. Ця аналогія, як показав Кулон (1785—89), має певний кількіс. вираз: взаємодія точкових магн. полюсів підпорядковується тому самому закону, що й взаємодія точкових електричних зарядів (закон Кулона). У 1820 дат. фізик Г. Ерстед відкрив магн. поле електр. струму. Того самого року франц. фізик А. Ампер встановив закони магнітної взаємодії струмів, еквівалентність магнітних властивостей кругового струму і тонкого плоского магніту; Магнетизм він пояснював існуванням мол. струмів. У 30-х рр. 19 ст. німецькі вчені К. Гаусс і В. Вебер розвинули математичну теорію геомагнетизму і розробили методи магнітних вимірювань.
Новий етап у вивченні Магнетизму починається з праць англійського фізика М. Фарадея, який дав послідовне трактування явищ Магнетизму на основі уявлень про реальність електромагнітного поля. Ряд найважливіших відкриттів в галузі електромагнетизму (електромагнітна індукція — Фарадей, 1831; правило Ленца — Е. Х. Ленц, 1833, та ін.), узагальнення відкритих електромагнітних явищ у працях англ. фізика Дж. К. Максвелла (1872), систематич. вивчення властивостей феромагнетиків і парамагнетиків (О. Г. Столєтов, 1872; франц. фізик П. Кюрі, 1895, та ін.) заклали основи сучасної макроскопічної теорії.
Вивчення Магнетизму на мікроскопічному рівні стало можливим після відкриття електронно-ядерної структури атомів. На основі класичної електронної теорії голл. фізика Г. А. Лоренца франц. вчений П. Ланжевен у 1905 побудував теорію діамагнетизму, а також квазікласич. теорію парамагнетизму. У 1892 рос. вчений Б. Л. Розінг і в 1907 П. Вейс (Франція) висловили ідею про існування внутр. мол. поля, що зумовлює властивості феромагнетиків. Відкриття електронного спіну і його Магнетизму (С. Гаудсміт, Дж. Ю. Уленбек, США, 1925), створення квантової механіки привели до розвитку квантової теорії діа-, пара- і феромагнетизму. На основі квантовомеханічних уявлень (просторового квантування) франц. фізик Л. Бріллюен у 1926 знайшов залежність намагніченості парамагнетиків від зовнішнього магнітного поля і температури. Німецький фізик Ф. Гунд у 1927 провів порівняння експериментальних і теоретичних значень ефективних магнітних моментів іонів у різних парамагнітних солях, що привело до з'ясування впливу електричних полів парамагнітного кристала на «заморожування» орбітальних моментів іонів. Дослідження цього явища дозволили встановити, що намагніченість кристала визначається майже виключно спіновими моментами (У. Пенні і Р. Шлапп; Дж. Ван Флек, США, 1932). У 30-х рр. була побудована квантовомеханічна теорія магнітних властивостей вільних електронів (парамагнетизм Паулі, 1927; діамагнетизм Ландау, 1930). Істотне значення для подальшого розвитку теорії парамагнетизму мало передбачене Я. Г. Дорфманом (1923) і потім відкрите Є. К. Завойським (1944) явище електронного парамагнітного резонансу (ЕПР).
Створенню квантової теорії феромагнетизму передували праці німецького фізика Е. Ізінга (1925, двовимірна модель феромагнетиків), Я. Г. Дорфмана (1927, ним була доведена немагнітна природа мол. поля), німецького фізика В. Гайзенберга (1926, квантовомеханічний розрахунок атома гелію), німецьких фізиків В. Гайтлера і Ф. Лондона (1927, розрахунок молекули водню). У двох останніх працях був використаний відкритий у квантовій механіці ефект обмінної взаємодії електронів (П. Дірак, Велика Британія, 1926) в оболонці атомів і молекул і встановлений його зв'язок з магнітними властивостями електронних систем, що підпорядковуються статистиці Фермі — Дірака (принцип Паулі). Квантова теорія феромагнетизму була розпочата працями Я. І. Френкеля (1928, колективізов. модель) і Гайзенберга (1928, модель локалізованих спінів). Розгляд феромагнетизму як квантового кооперативного явища (американські фізики Ф. Блох, Дж. Слейтер, 1930) привів до відкриття спінових хвиль. У 1932—33 французький фізик Л. Неель і Л. Д. Ландау передбачили існування антиферомагнетизму. Вивчення нових класів магн. речовин — антиферомагнетиків і феритів — дозволило глибше зрозуміти природу Магнетизму. Була з'ясована роль магнітопружної енергії в походженні енергії магнітної анізотропії, побудована теорія доменної структури і освоєні методи її експериментального вивчення.
Розвитку теорії Магнетизму значною мірою сприяло створення нових експериментальних методів дослідження речовин. Нейтронографічні методи дозволили визначити типи атомних магнітних структур. Феромагнітний резонанс, спочатку відкритий і досліджений у працях В. К. Аркадьєва (1913), а потім Дж. Гріффітса (США, 1946), і антиферомагнітний резонанс (К. Гортер та ін., 1951) дозволили розпочати експериментальні дослідження процесів магнітної релаксації, а також дали незалежний метод визначення ефф. полів анізотропії у феро- і антиферомагнетиках. Фізичні методи досліджень, засновані на явищі ядерного магнітного резонансу (Е. Персел та ін., США, 1946) і ефекті Мессбауера (1958), значно поглибили знання про розподіл спінової густини в речовині, особливо в металевих феромагнетиках. Спостереження розсіювання нейтронів і світла дозволили для ряду речовин визначити спектри спінових хвиль. Паралельно з експериментальними роботами розвивалися й різні аспекти теорії Магнетизму : магнітної симетрії кристалів, феромагнетизму колективізованих електронів, фазових переходів II роду і критичних явищ, а також моделі одновимірних і двовимірних феро- і антиферомагнетиків.
Успіхи у вивченні природи магн. явищ дозволили здійснити синтез нових перспективних магн. матеріалів: феритів для ВЧ і НВЧ пристроїв, висококоерцитивних сполук типу SmCo5 (див. Магніт постійний), прозорих феромагнетиків, аморфних магнетиків (у т. ч. спінових скел, в яких спостерігається безладний розподіл орієнтації атомних магнітних моментів по вузлах кристалічної ґратки), феро- і антиферомагнітних аморфних матеріалів (т. зв. металевих скел, або метгласів) та ін.
2) розділ фізики, що вивчає цю взаємодію і властивості речовин (магнетиків), у яких вона проявляється.
Основні прояви магнетизму. У найбільш загальному вигляді Магнетизм можна визначити як особливу форму матеріальних взаємодій, що виникають між рухомими електрично зарядженими частинками. Передача магнітної взаємодії, що реалізує зв'язок між просторово-розділеними тілами, здійснюється магнітним полем. Воно являє собою поряд з електричним полем один з проявів електромагнітної форми руху матерії (див. Електромагнітне поле). Між магнітними і електричними полями немає повної симетрії. Джерелами електричного поля є електричні заряди, але аналогічних магнітних зарядів поки що не спостерігали в природі, хоча гіпотези про їхнє існування висловлювалися (див.Магнітний монополь). Джерело магнітного поля — рухомий електричний заряд, тобто електричний струм. В атомних масштабах для електронів і нуклонів (протонів, нейтронів) є два типи мікроскопічних струмів — орбітальні, пов'язані з переносом центра ваги цих частинок в атомі, і спінові, пов'язані з їхнім внутрішнім рухом.
Кількісною характеристикою магнетизму частинок є їхні орбітальний і спіновий магнітні моменти. Оскільки всі мікроструктурні елементи речовин — електрони, протони і нейтрони — мають магнітні моменти, то й будь-які їхні комбінації — атомні ядра і електронні оболонки, а також комбінації їхніх комбінацій, тобто атоми, молекули і макроскопічні тіла, можуть у принципі бути джерелами магнетизму. Т. ч., по суті всі речовини мають магнітні властивості. Відомі два основні ефекти дії зовнішнього магнітного поля на речовини. По-перше, відповідно до закону електромагнітної індукції Фарадея зовнішнє магнітне поле завжди створює в речовині такий індукційний струм, магнітне поле якого спрямоване проти початкового поля (правило Ленца). Тому створюваний зовнішнім полем магнітний момент речовини завжди спрямований протилежно зовнішньому полю (див. Діамагнетизм). По-друге, якщо атом має відмінний від нуля магнітний момент (спіновий, орбітальний або обидва), то зовнішнє поле прагнутиме зорієнтувати його вздовж свого напрямку. В результаті виникає паралельний полю магн. момент, який називається парамагнітним (див. Парамагнетизм).
Істотний вплив на магнітні властивості речовини можуть чинити також внутрішні взаємодії (електричної і магнітної природи) між мікрочастинками — носіями магнітного моменту (атомами та ін.). У деяких випадках завдяки цим взаємодіям виявляється енергетично вигіднішим, щоб у речовині існувала самочинна (не залежна від зовнішнього поля) впорядкованість в орієнтації магнітних моментів частинок (атомний магнітний порядок). Речовини, в яких атомні магнітні моменти орієнтовані паралельно одне одному, називаються феромагнетиками (див. Феромагнетизм), відповідно антиферомагнетиками називаються речовини, в яких сусідні атомні моменти розташовані антипаралельно (див. Антиферомагнетизм). Крім таких колінеарних феро- і антиферомагнітних атомних структур, спостерігаються й неколінеарні (гвинтові, трикутні та ін.).
Складність атомної структури речовин, побудованих з величезної кількості атомів, призводить до практично невичерпного розмаїття їхніх магнітних властивостей. При розгляді магнітних властивостей речовин для них вживають загальний термін «магнетики». Взаємозв'язок магнітних властивостей речовин з їхніми немагнітними властивостями (електричними, механічними, оптичними тощо) дозволяє дуже часто використовувати дослідження магнітних властивостей як джерело інформації про внутрішню структуру мікрочастинок і тіл макроскопічних розмірів. Величезний діапазон магнітних явищ, що простягається від магнетизму елементарних частинок до Магнетизму космічних тіл (Землі, Сонця, зір та ін.), пояснює глибокий інтерес до Магнетизму з боку багатьох наук (фізики, астрофізики, хімії, біології) і його широке застосування в техніці. Розгляду пов'язаних з цим питань присвячені статті: Сонячний вітер, Земний магнетизм, Магнітосфера, Магнітне поле, Магнітна гідродинаміка, Магнітна структура атомна, Магнітні матеріали, Магніт постійний та ін.
Магнетизм речовин. Макроскопічний опис магнітних властивостей речовин зазвичай проводиться в рамках теорії електромагнітного поля (див. Рівняння Максвелла), термодинаміки і статистичної фізики. Однією з основних макроскопічних характеристик магнетика, що визначають його термодинамічний стан, є вектор намагніченості J (сумарний магн.ітний момент одиниці об'єму магнетика). Вектор J — функція напруженості магнітного поля Н. Графічно залежність J(H) зображується кривою намагнічування, яка має різний вигляд у різних магнетиків. У ряді речовин між J і Н існує лінійна залежність: J=μH, де μ — магнітна сприйнятливість одиниці об'єму речовини (у діамагнетиків μ<0, у парамагнетиків μ>0). У феромагнетиків J пов'язана з H нелінійно; у них сприйнятливість залежить не тільки від температури Т і властивостей речовини, але й від поля H.
Термодинамічно намагніченість J магнетика визначається через термодинамічний потенціал Ф(Н, Т, р) за формулою: J=-(dФ/dН)T,p де (р — тиск). У свою чергу, розрахунок Ф(Н, Т, р) ґрунтується на співвідношенні Гіббса — Богуславського: Ф= -kT lnZ(H, T,p), де Z(H,Т,р)— статистична сума.
Із загальних положень класичної статистичної фізики випливає, що електронні системи не можуть мати термодинамічно стійкого магнітного моменту (теорема Бора — ван Левен), але це суперечить досліду. Квантова механіка, яка пояснила стійкість атома, дала пояснення і Магнетизму атомів і макроскопічних тіл. Магнетизм атомів і молекул зумовлений спіновими магнітними моментами їхніх електронів, рухом електронів в оболонках атомів і молекул (т. зв. орбітальним Магнетизмом ), спіновим і орбітальним Магнетизмом нуклонів ядер. У багатоелектронних атомах додавання орбітальних і спінових магн. моментів здійснюється за законами просторового квантування — результівний магнітний момент μj визначається повним кутовим квантовим числом j і дорівнює: μj=пj√(j(j+1)μБ),де gj — множник Ланде, μБ — магнетон Бора.
У атомів інертних газів (Не, Ar, Ne та ін.) електронні оболонки магнітно нейтральні (їхній сумарний магнітний момент дорівнює нулю). У зовнішньому магнітному полі інертні гази проявляють діамагнітні властивості. Електронна оболонка атомів лужних металів (Li, Na, K та ін.) має лише спіновий магнітний момент валентного електрона, орбітальний магнітний момент цих атомів дорівнює нулю. Внаслідок цього атоми лужних металів парамагнітні. В атомів перехідних металів (Fe, Co, Ni, рідкісноземельних металів (РЗМ) та ін.) не добудовані d- і f- шари їхніх електронних оболонок. Спінові і орбітальні магн. моменти електронів цих шарів не скомпенсовані, що призводить до існування в ізольованих атомів Fe, Co, Ni і РЗМ значного магнітного моменту.
Магнітні властивості речовин визначаються природою атомних носіїв Магнетизму і характером їхніх взаємодій. Навіть речовина одного й того самого хімічного складу залежно від зовнішніх умов, а також кристалічної або фазової структури (наприклад, ступеня впорядкування атомів у сплавах тощо) може мати різні магнітні властивості. Наприклад, Fe, Со і Ni в кристалічному стані нижче певної температури (точка Кюрі) мають феромагнітні властивості, вище точки Кюрі вони парамагнітні. Те саме спостерігається і в антиферомагнетиків, їхню критичну температуру називають точкою Нееля. У деяких РЗМ між феро- і парамагнітною температурними областями існує антиферомагнітна область.
Кількісно взаємодію між атомними носіями Магнетизму в речовині можна охарактеризувати величиною енергії цієї взаємодії εвз, розрахованою на окрему пару частинок — носіїв магнітного моменту. Енергію εвз, зумовлену електричною і магнітною взаємодією частинок, можна зіставити з величинами енергій ін. атомних взаємодій: з енергією частинки, що має магнітний момент порядку ≈μБ у деякому ефективному магнітному полі Hефф, тобто з εH=μБHефф, і із середньою енергією теплового руху частинки за деякої ефективної критичної температури Тk, тобто εT=kTk (Hефф і Тk слугують мірами енергії взаємодії частинок). За значень напруженості зовнішнього поля H>>Hефф або Т>>Тk домінуватимуть зовнішні фактори — температура або поле, що пригнічують ефекти внутрішньої взаємодії («слабкий» Магнетизм речовин). Ця класифікація формальна, оскільки не розкриває фізичної природи Hефф і Tk. Для повного з'ясування природи магнітних властивостей речовини необхідно знати не тільки величину енергії εвз порівняно з εT або εH, але й її фізичне походження і характер магнітного моменту носіїв (орбітальний або спіновий). Якщо виключити випадок ядерного Магнетизму, то в електронних оболонках атомів і молекул, а також в електронній системі конденсованих речовин (рідини, кристали) діють два типи сил — електричні і магнітні. Мірою електричної взаємодії може слугувати електростатична енергія εел двох електронів, що перебувають на атомній відстані a (a=10-8 см): εел=е2/а=2,57*10-11 ерг. Мірою магнітної взаємодії слугує енергія зв'язку двох мікрочастинок, що мають магнітні моменти μБ і перебувають на відстані а, тобто εмагн=μ2Б/a3»10-15 ерг. Т. ч., εелперевищує енергію εмагн на три-чотири порядки. У зв'язку з цим збереження намагніченості феромагнетиками (Fe, Co, Ni) до температур T=1000К може бути зумовлене лише електричною взаємодією, оскільки за енергії εмагн=10-16 ерг тепловий рух зруйнував би орієнтувальну дію магнітних сил вже при 1 К. Згідно з квантовою механікою, поряд з кулонівською електростатичною взаємодією заряджених частинок існує також чисто квантова електростатична обмінна взаємодія, що залежить від взаємної орієнтації магнітних моментів електронів. Ця частина взаємодії, електростатична за своєю природою, чинить істотний вплив на магнітний стан електронних систем. Зокрема, ця взаємодія сприяє впорядкованій орієнтації магнітних моментів атомних носіїв магнетизму. Верхня межа енергії обмінної взаємодії εоб=10-13 ерг.
Значення εоб>0 відповідає паралельній орієнтації атомних магнітних моментів, тобто самочинній (спонтанній) намагніченості феромагнетиків. При εоб<0 має місце тенденція до антипаралельної орієнтації сусідніх магнітних моментів, характерної для атомної магнітної структури антиферомагнетиків. У кристалах сплавів і сполук можлива т. зв. змішана обмінна взаємодія, коли між різними вузлами кристалічної ґратки знаки εоб протилежні. Викладене дозволяє провести таку фізичну класифікацію магнітних властивостей речовин.
I. Магнетизм слабко взаємодіючих частинок (εвз<<-μБH або εвз<
Переважання діамагнетизму. До речовин з діамагнітними властивостями належать:
а) усі інертні гази, а також гази, атоми або молекули яких не мають власного результівного магнітного моменту. Їхня магнітна сприйнятливість негативна і дуже мала за абсолютною величиною (молярна сприйнятливість χ порядку —(10-7—10-5)); від температури вона практично не залежить;
б) органічні сполуки з неполярним зв'язком, в яких молекули або радикали або не мають магнітного моменту, або парамагнітний ефект у них пригнічений діамагнітним; у цих сполук c порядку —106 і також практично не залежить від температури, але має помітну анізотропію (див. Магнітна анізотропія);
в) рідкі і кристалічні речовини: деякі метали (Zn, Au, Hg та ін.); розчини, сплави і хімічні сполуки (наприклад, галогени) з переважанням діамагнетизму іонних остовів (іони, подібні до атомів інертних газів, Li+ , Be2+ , Al3+, Cl- тощо). Магнетизм цієї групи речовин схожий на Магнетизм «класичних» діамагнітних газів.
Переважання парамагнетизму характерне:
а) для вільних атомів, іонів і молекул, що мають результівний магнітний момент. Парамагнітні гази O2, NO, пари лужних і перехідних металів. Сприйнятливість їх χ=10-3—10-5 і за не дуже низьких температур і не дуже сильних магнітних полів (μБH/kT<<1) не залежить від поля H, але істотно залежить від температури — для c має місце закон Кюрі: χ=C/T, де С — стала Кюрі;
б) для іонів перехідних елементів у рідкій фазі, а також у кристалах за умови, що магнітно-активні іони слабко взаємодіють один з одним і їхнє найближче оточення в конденсов. фазі слабко впливає на їхній парамагнетизм. За умови μБH/kT<<1 їхня сприйнятливість c не залежить від H, але залежить від T — має місце закон Кюрі— Вейса: χ=С`/(Т-Δ), де С` і Δ — константи речовини; в) для феро- і антиферомагнітних речовин вище точки Кюрі q.
II. Магнетизм електронів провідності в металах і напівпровідниках. Парамагнетизм електронів провідності (спіновий парамагнетизм) спостерігається у лужних (Li, K, Na та ін.), лужноземельних (Ca, Cr, Ba, Ra) і перехідних металів (елементів з недобудованими 3d-, 4d- і 5d-оболонками, крім Fe, Ni, Co і Mn, Cr). Сприйнятливість їх мала (χ=10-5), не залежить від поля і слабко змінюється з температурою. У ряду металів (Cu, Ag, Au та ін.) цей парамагнетизм маскується сильнішим діамагнетизмом іонних остовів. Діамагнетизм електронів провідності в металах (діамагнетизм Ландау) властивий усім металам, але в більшості випадків його маскує або сильніший спіновий електронний парамагнетизм, або діа- чи парамагнетизм іонних остовів. Пара- і діамагнетизм електронів провідності в напівпровідниках. Порівняно з металами в НП мало електронів провідності, але їхня кількість зростає з підвищенням температури; c у цьому випадку також залежить від Т. Магнетизм надпровідників зумовлений електричними струмами, що течуть у тонкому поверхневому шарі товщиною ≈10-5 см. Ці струми екранують товщу надпровідника від зовнішніх магнітних полів, тому в масивному надпровіднику при T
III. Магнетизм речовин з атомним магнітним порядком (εвз>>μБH або εвз>>kT).
Феромагнетизм має місце в речовинах з позитивною обмінною енергією (εоб>0): у кристалах Fe, Со, Ni, ряді РЗМ (Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb), у сплавах і сполуках за участю цих елементів, а також у сплавах Cr, Mn і в сполуках U. Для феромагнетизму характерна самочинна намагніченість при температурах T<θ, при T>θ феромагнетики переходять або в парамагнітний, або в антиферомагнітний стан (останнє спостерігається, напр., у деяких РЗМ). Однак з досліду відомо, що за відсутності зовнішнього поля феромагнітні тіла не мають результівної намагніченості (якщо виключити вторинне явище залишкової намагніченості). Це пояснюється тим, що при H=0 феромагнетик розбивається на велику кількість мікроскопічних областей самочинного намагнічування — доменів. Вектори намагніченості окремих доменів орієнтовані так, що сумарна намагніченість феромагнетика дорівнює нулю. У зовнішньому полі доменна структура змінюється, феромагнітний зразок набуває результівної намагніченості (див. Намагнічування).
Антиферомагнетизм має місце в речовинах з негативною обмінною енергією (εоб<0): у кристалах Cr і Mn, ряді РЗМ (Ce, Pr, Nd, Sm, Eu), а також у численних сполуках і сплавах за участю елементів перехідних груп.
Кристалічна ґратка цих речовин розбивається на т. зв. магнітні підґратки, вектори самочинної намагніченості Jki яких або антипаралельні (колінеарний антиферомагнітний зв'язок), або спрямовані одне до одного під кутами, відмінними від 0 і 180° (неколінеарний зв'язок, (див. Магнітна структура атомна). Якщо сумарний момент усіх магнітних підґраток в антиферомагнетику дорівнює нулю, то має місце скомпенсований антиферомагнетизм; якщо ж є відмінна від нуля різницева самочинна намагніченість, то спостерігається нескомпенсований антиферомагнетизм, або феримагнетизм, який реалізується головним чином у кристалах оксидів металів з кристалічною ґраткою типу шпінелі, гранату, перовскіту та ін. мінералів (їх називають феритами). Ці речовини за електричними властивостями — НП і діелектрики, за магнітними властивостями вони схожі на звичайні феромагнетики. При порушенні компенсації магнітних моментів в антиферомагнетиках через слабку взаємодію між атомними носіями Магнетизму в ряді випадків виникає дуже мала самочинна намагніченість речовин (≈0,1% від звичайних значень для феро- і феримагнетиків), які називаються слабкими феромагнетиками (наприклад, гематит α-Fe2O3, карбонати ряду металів, ортоферити; (див. Слабкий феромагнетизм). Існує відмінність у характері атомних носіїв магнітного моменту в феро- і антиферомагнітних d- і f-металах, металевих сплавах і сполуках і непровідних кристалах. У d-металах і сплавах основними носіями атомного магнітного моменту є електрони колишнього недобудованого d-шару ізольованих атомів. Зумовлений ними феро- або антиферомагнетизм пов'язаний з проявом обмінної взаємодії в системі колективізованих d-електронів.
У 4 f-металах і діелектричних кристалах упорядковані атомні магнітні структури утворені магнітними моментами, локалізованими поблизу вузлів кристалічної ґратки, зайнятих магнітно-активними іонами. Існує також упорядкований Магнетизм в аморфних твердих тілах (у переохолоджених рідинах, т. зв. металевих склах), що мають ряд специфічних властивостей, відмінних від магнітних властивостей кристалічних магнетиків.
Великий інтерес становлять також речовини, названі спіновими склами, в яких є атомне впорядкування, але відсутнє впорядкування локалізованих атомних спінових або орбітальних магнітних моментів.
Магнітний стан феро- або антиферомагнетика в зовнішньому магнітному полі Н визначається, крім величини поля, ще й попередніми станами магнетика (магнітною передісторією зразка). Це явище називається гістерезисом. Магнітний гістерезис проявляється в неоднозначності залежності J від Н (у наявності петлі гістерезису). Завдяки гістерезису для розмагнічування зразка виявляється недостатнім усунути зовнішнє поле, при H=0 зразок збереже залишкову намагніченість Jr. Для розмагнічування зразка потрібно прикласти зворотне магнітне поле Нc, яке називається коерцитивною силою. Залежно від значення Нc розрізняють магнітно-м'які матеріали (Hc<800 А/м або 10 Е) і магнітно-тверді, або висококоерцитивні, матеріали (Hc>4 кА/м або 50 Е). Jr і Нc залежать від температури і, як правило, спадають з її підвищенням, прямуючи до нуля з наближенням Т до θ.
Наукові і технічні проблеми магнетизму.
Основними науковими проблемами сучасного вчення про магнетизм є:
1) з'ясування природи обмінної взаємодії і взаємодій, що зумовлюють анізотропію в різних типах магнітовпорядкованих кристалів; пояснення спектрів елементарних магнітних збуджень (магнонів) і механізмів їхньої взаємодії між собою, а також з фононами, електронами провідності та ін.;
2) створення теорії переходу з парамагнітного в феромагнітний стан. Дослідження Магнетизму речовин застосовується як засіб вивчення хімічних зв'язків і структури молекул (магнетохімія). Вивчення діа- і парамагнітних властивостей газів, рідин, розчинів, сполук у твердій фазі дозволяє розібратися в деталях фізичних і хімічних процесів, що відбуваються в цих тілах, і в їхній структурі. Вивчення магнітних динамічних характеристик (магнітного резонансу і релаксаційних процесів) допомагає зрозуміти кінетику багатьох фізичних і фізико-хімічних процесів у різних речовинах. Інтенсивно розвивається магнітобіологія.
До найважливіших проблем Магнетизму космічних тіл належать: з'ясування походження магнітних полів Землі, планет, Сонця, зір (зокрема, пульсарів), позагалактичних радіоджерел (радіогалактик, квазарів та ін.), а також ролі магнітних полів у космічному просторі.
Проблеми технічного застосування Магнетизму входять до числа найважливіших проблем електротехніки, радіотехніки, електроніки, приладобудування і обчислювальної техніки, навігації, автоматики і телемеханіки. У техніці широке застосування знайшли магнітна дефектоскопія і магнітні методи контролю. Магнітні матеріали йдуть на виготовлення магнітопроводів генераторів, моторів, трансформаторів, реле, магн. підсилювачів, елементів магнітної пам'яті, стрілок компасів, стрічок магнітного запису тощо.
Історична довідка.
Перші письмові свідчення про Магнетизм (Китай) мають понад двохтисячолітню давність. У них згадується про застосування природних постійних магнітів як компасів. У працях давньогрецьких і римських учених є згадка про притягання і відштовхування магнітів і про намагнічування в присутності магніту залізних ошурок (наприклад, у римського поета і філософа-матеріаліста Лукреція в поемі «Про природу речей», 1 ст. до н. е.). За доби середньовіччя в Європі почав широко застосовуватися магнітний компас (з 12 ст.), були зроблені спроби експериментального вивчення властивостей магнітів різної форми (франц. вчений П'єр де Марикур, 1269). Результати досліджень Магнетизму за доби Відродження були узагальнені в праці англ. фізика У. Гілберта «Про магніт, магнітні тіла і про великий магніт — Землю» (1600). Гілберт показав, зокрема, що Земля — магнітний диполь, і довів неможливість роз'єднання двох різнойменних полюсів магніту. Далі вчення про Магнетизм розвивалося в працях франц. вченого Р. Декарта, російського вченого Ф. Епінуса і франц. фізика Ш. Кулона. Декарт був автором першої докладної метафізичної теорії Магнетизму і геомагнетизму («Начала філософії», ч. 4, 1644); він виходив з існування особливої магнітної субстанції, що зумовлює своєю присутністю і рухом Магнетизм тіл.
У трактаті «Досвід теорії електрики і магнетизму» (1759) Епінус підкреслив аналогію між електр. і магн. явищами. Ця аналогія, як показав Кулон (1785—89), має певний кількіс. вираз: взаємодія точкових магн. полюсів підпорядковується тому самому закону, що й взаємодія точкових електричних зарядів (закон Кулона). У 1820 дат. фізик Г. Ерстед відкрив магн. поле електр. струму. Того самого року франц. фізик А. Ампер встановив закони магнітної взаємодії струмів, еквівалентність магнітних властивостей кругового струму і тонкого плоского магніту; Магнетизм він пояснював існуванням мол. струмів. У 30-х рр. 19 ст. німецькі вчені К. Гаусс і В. Вебер розвинули математичну теорію геомагнетизму і розробили методи магнітних вимірювань.
Новий етап у вивченні Магнетизму починається з праць англійського фізика М. Фарадея, який дав послідовне трактування явищ Магнетизму на основі уявлень про реальність електромагнітного поля. Ряд найважливіших відкриттів в галузі електромагнетизму (електромагнітна індукція — Фарадей, 1831; правило Ленца — Е. Х. Ленц, 1833, та ін.), узагальнення відкритих електромагнітних явищ у працях англ. фізика Дж. К. Максвелла (1872), систематич. вивчення властивостей феромагнетиків і парамагнетиків (О. Г. Столєтов, 1872; франц. фізик П. Кюрі, 1895, та ін.) заклали основи сучасної макроскопічної теорії.
Вивчення Магнетизму на мікроскопічному рівні стало можливим після відкриття електронно-ядерної структури атомів. На основі класичної електронної теорії голл. фізика Г. А. Лоренца франц. вчений П. Ланжевен у 1905 побудував теорію діамагнетизму, а також квазікласич. теорію парамагнетизму. У 1892 рос. вчений Б. Л. Розінг і в 1907 П. Вейс (Франція) висловили ідею про існування внутр. мол. поля, що зумовлює властивості феромагнетиків. Відкриття електронного спіну і його Магнетизму (С. Гаудсміт, Дж. Ю. Уленбек, США, 1925), створення квантової механіки привели до розвитку квантової теорії діа-, пара- і феромагнетизму. На основі квантовомеханічних уявлень (просторового квантування) франц. фізик Л. Бріллюен у 1926 знайшов залежність намагніченості парамагнетиків від зовнішнього магнітного поля і температури. Німецький фізик Ф. Гунд у 1927 провів порівняння експериментальних і теоретичних значень ефективних магнітних моментів іонів у різних парамагнітних солях, що привело до з'ясування впливу електричних полів парамагнітного кристала на «заморожування» орбітальних моментів іонів. Дослідження цього явища дозволили встановити, що намагніченість кристала визначається майже виключно спіновими моментами (У. Пенні і Р. Шлапп; Дж. Ван Флек, США, 1932). У 30-х рр. була побудована квантовомеханічна теорія магнітних властивостей вільних електронів (парамагнетизм Паулі, 1927; діамагнетизм Ландау, 1930). Істотне значення для подальшого розвитку теорії парамагнетизму мало передбачене Я. Г. Дорфманом (1923) і потім відкрите Є. К. Завойським (1944) явище електронного парамагнітного резонансу (ЕПР).
Створенню квантової теорії феромагнетизму передували праці німецького фізика Е. Ізінга (1925, двовимірна модель феромагнетиків), Я. Г. Дорфмана (1927, ним була доведена немагнітна природа мол. поля), німецького фізика В. Гайзенберга (1926, квантовомеханічний розрахунок атома гелію), німецьких фізиків В. Гайтлера і Ф. Лондона (1927, розрахунок молекули водню). У двох останніх працях був використаний відкритий у квантовій механіці ефект обмінної взаємодії електронів (П. Дірак, Велика Британія, 1926) в оболонці атомів і молекул і встановлений його зв'язок з магнітними властивостями електронних систем, що підпорядковуються статистиці Фермі — Дірака (принцип Паулі). Квантова теорія феромагнетизму була розпочата працями Я. І. Френкеля (1928, колективізов. модель) і Гайзенберга (1928, модель локалізованих спінів). Розгляд феромагнетизму як квантового кооперативного явища (американські фізики Ф. Блох, Дж. Слейтер, 1930) привів до відкриття спінових хвиль. У 1932—33 французький фізик Л. Неель і Л. Д. Ландау передбачили існування антиферомагнетизму. Вивчення нових класів магн. речовин — антиферомагнетиків і феритів — дозволило глибше зрозуміти природу Магнетизму. Була з'ясована роль магнітопружної енергії в походженні енергії магнітної анізотропії, побудована теорія доменної структури і освоєні методи її експериментального вивчення.
Розвитку теорії Магнетизму значною мірою сприяло створення нових експериментальних методів дослідження речовин. Нейтронографічні методи дозволили визначити типи атомних магнітних структур. Феромагнітний резонанс, спочатку відкритий і досліджений у працях В. К. Аркадьєва (1913), а потім Дж. Гріффітса (США, 1946), і антиферомагнітний резонанс (К. Гортер та ін., 1951) дозволили розпочати експериментальні дослідження процесів магнітної релаксації, а також дали незалежний метод визначення ефф. полів анізотропії у феро- і антиферомагнетиках. Фізичні методи досліджень, засновані на явищі ядерного магнітного резонансу (Е. Персел та ін., США, 1946) і ефекті Мессбауера (1958), значно поглибили знання про розподіл спінової густини в речовині, особливо в металевих феромагнетиках. Спостереження розсіювання нейтронів і світла дозволили для ряду речовин визначити спектри спінових хвиль. Паралельно з експериментальними роботами розвивалися й різні аспекти теорії Магнетизму : магнітної симетрії кристалів, феромагнетизму колективізованих електронів, фазових переходів II роду і критичних явищ, а також моделі одновимірних і двовимірних феро- і антиферомагнетиків.
Успіхи у вивченні природи магн. явищ дозволили здійснити синтез нових перспективних магн. матеріалів: феритів для ВЧ і НВЧ пристроїв, висококоерцитивних сполук типу SmCo5 (див. Магніт постійний), прозорих феромагнетиків, аморфних магнетиків (у т. ч. спінових скел, в яких спостерігається безладний розподіл орієнтації атомних магнітних моментів по вузлах кристалічної ґратки), феро- і антиферомагнітних аморфних матеріалів (т. зв. металевих скел, або метгласів) та ін.