Τι πρέπει να ξέρεις - Βασικές γνώσεις

Η ανισοτροπία είναι μια εξάρτηση του ενεργειακού επιπέδου από κάποια κατεύθυνση. Εάν οι μαγνητικές ροπές σε ένα υλικό εκδηλώνουν προτίμηση προς μία συγκεκριμένη κατεύθυνση (ο εύκολος άξονας) τότε το υλικό λέγεται ότι έχει μονοαξονική ανισοτροπία, όπως το κοβάλτιο. Εάν η προτίμηση είναι προς πολλές συγκεκριμένες κατευθύνσεις, τότε το υλικό έχει πολλούς εύκολους άξονες και διαθέτει κυβική ανισοτροπία. Κυβικοί κρύσταλλοι όπως ο σίδηρος και το νικέλιο έχουν αυτήν την ιδιότητα. Η μονοαξονική και κυβική ανισοτροπία είναι μορφές μαγνητοκρυσταλλικής ανισοτροπίας καθώς οι ιδιότητές τους από αυτή την άποψη προκύπτουν από την κρυσταλλική δομή του υλικού.

Εικόνα 1:  Ενεργειακή πυκνότητα λόγω μονοαξονικής ανισοτροπίας ως συνάρτηση της γωνίας θ από μια μαγνητική ροπή μ. Η μέγιστη ενέργεια έχει ομαλοποιηθεί στο μηδέν για λόγους σαφήνειας.

Εικόνα 2:  Κανονικοποιημένες επιφάνειες κυβικής ενεργείας ανισοτροπίας w_c  (θ, φ) για σίδηρο (αριστερά) και νικέλιο (δεξιά). Τα διαφορετικά σχήματα των επιφανειών αντικατοπτρίζουν το πρόσημο του Κ₁  - ο σίδηρος έχει θετικό Κ₁ , το νικέλιο αρνητικό Κ₁

Η ενέργεια ανισοτροπίας στους μαγνήτες των μετάλλων μετάβασης προκύπτει από τη σύζευξη περιστροφής-τροχιάς.

Ο αντισιδηρομαγνητισμός, είναι ένας τύπος μαγνητισμού σε στερεά όπως το οξείδιο του μαγγανίου (MnO) στο οποίο γειτονικά ιόντα που συμπεριφέρονται ως μικροσκοπικοί μαγνήτες (στην περίπτωση αυτή ιόντα μαγγανίου, Mn₂₊) ευθυγραμμίζονται αυθόρμητα σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες σε αντίθετες ή αντιπαράλληλες διατάξεις σε όλο το υλικό έτσι ώστε να μην παρουσιάζει σχεδόν καθόλου εξωτερικό μαγνητισμό. Σε αντι -σιδηρομαγνητικά υλικά, τα οποία περιλαμβάνουν ορισμένα μέταλλα και κράματα εκτός από ορισμένα ιοντικά στερεά, ο μαγνητισμός από μαγνητικά άτομα ή ιόντα προσανατολισμένα προς μία κατεύθυνση ακυρώνεται από το σύνολο μαγνητικών ατόμων ή ιόντων που ευθυγραμμίζονται προς την αντίστροφη κατεύθυνση. Αυτή η αυθόρμητη αντιπαράλληλη σύζευξη των ατομικών μαγνητών διαταράσσεται από τη θέρμανση και εξαφανίζεται εντελώς πάνω από μια ορισμένη θερμοκρασία, που ονομάζεται θερμοκρασία Néel, χαρακτηριστική για κάθε αντισιδηρομαγνητικό υλικό. (Η θερμοκρασία Néel πήρε το όνομά της από τον Louis Néel, Γάλλο φυσικό, ο οποίος το 1936 έδωσε μια από τις πρώτες εξηγήσεις του αντισιδηρομαγνητισμού). Η θερμοκρασία Néel για το οξείδιο του μαγγανίου, για παράδειγμα, είναι 122 K (−151 ° C, ή −240 ° F). Τα αντι -σιδηρομαγνητικά στερεά επιδεικνύουν ιδιαίτερη συμπεριφορά σε εφαρμοσμένο μαγνητικό πεδίο ανάλογα με τη θερμοκρασία. Σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, το στερεό δεν εμφανίζει καμία απάντηση στο εξωτερικό πεδίο, επειδή η αντιπαράλληλη τάξη των ατομικών μαγνητών διατηρείται άκαμπτα. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες, ορισμένα άτομα απελευθερώνονται από την κανονική διάταξη και ευθυγραμμίζονται με το εξωτερικό πεδίο. Αυτή η ευθυγράμμιση και ο ασθενής μαγνητισμός που παράγει στο στερεό φτάνουν στο αποκορύφωμά τους στη θερμοκρασία Néel. Πάνω από αυτή τη θερμοκρασία, η θερμική διέγερση εμποδίζει σταδιακά την ευθυγράμμιση των ατόμων με το μαγνητικό πεδίο, έτσι ώστε ο ασθενής μαγνητισμός που παράγεται στο στερεό από την ευθυγράμμιση των ατόμων του να μειώνεται συνεχώς καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία.

Το συνεκτικό πεδίο, το οποίο επίσης, ονομάζεται μαγνητικό συνεκτικό πεδίο ή δύναμη συνεκτικού πεδίου, είναι ένα μέτρο της ικανότητας ενός σιδηρομαγνητικού υλικού να αντέχει σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο χωρίς να απομαγνητίζεται. Μια ανάλογη ιδιότητα στην ηλεκτρολογία και την επιστήμη των υλικών, το ηλεκτρικό συνεκτικό πεδίο, είναι η ικανότητα ενός σιδηροηλεκτρικού υλικού να αντέχει σε ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο χωρίς να συμβαίνει εξαφάνιση των πόλων.

Το συνεκτικό πεδίο σε ένα σιδηρομαγνητικό υλικό είναι η ένταση του εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου που απαιτείται για να μειωθεί η μαγνήτιση αυτού του υλικού στο μηδέν αφού ο μαγνητισμός του δείγματος οδηγηθεί σε κορεσμό. Έτσι (το κανονικό) συνεκτικό πεδίο μετρά την αντίσταση ενός σιδηρομαγνητικού υλικού στο να απομαγνητιστεί. Το συνεκτικό πεδίο μετριέται συνήθως σε μονάδες oersted ή ampere/meter και υποδηλώνεται HC. Μια μεγαλύτερη τιμή είναι το εσωτερικό συνεκτικό πεδίο HCi που δεν λαμβάνει υπόψη την αρνητική συμβολή της διαπερατότητας του κενού στο μαγνητικό πεδίο Β, λαμβάνοντας υπόψη μόνο τη μαγνήτιση. Μπορεί να υπάρχει ασάφεια μεταξύ των δύο εννοιών και ειδικά για τους ισχυρούς μαγνήτες η διαφορά γίνεται σημαντική. Οι ισχυρότεροι μαγνήτες σπανίων γαιών δεν χάνουν σχεδόν τίποτα από τη μαγνήτιση στο HC, και η μείωση του πεδίου στο μηδέν είναι σχεδόν ίση με τη συμβολή της διαπερατότητας κενού στο μαγνητικό πεδίο. Το φυσιολογικό συνεκτικό πεδίο χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της μαγνητοκινητικής δύναμης, ενώ το εσωτερικό συνεκτικό πεδίο χρησιμοποιείται για την εκτίμηση της ευαισθησίας στην απομαγνήτιση.
Μπορεί να μετρηθεί χρησιμοποιώντας αναλυτή BH ή μαγνητόμετρο.
Τα σιδηρομαγνητικά υλικά με υψηλό συνεκτικό πεδίο ονομάζονται σκληρά μαγνητικά υλικά και χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μόνιμων μαγνητών. Τα υλικά με χαμηλό συνεκτικό πεδίο ονομάζονται μαλακά μαγνητικά υλικά. Τα τελευταία χρησιμοποιούνται σε πυρήνες μετασχηματιστή και επαγωγέα, κεφαλές εγγραφής, συσκευές μικροκυμάτων και μαγνητική θωράκιση.

Είναι η κρίσιμη ή κανονιστική θερμοκρασία για ένα σιδηρομαγνητικό ή σιδηριμαγνητικό υλικό. Η θερμοκρασία Curie (T_C) είναι η θερμοκρασία κάτω από την οποία υπάρχει αυθόρμητη μαγνήτιση Μ απουσία εξωτερικού  μαγνητικού πεδίου και πάνω από την οποία το υλικό είναι παραμαγνητικό.

Σε κατάσταση αταξίας πάνω από τη θερμοκρασία Curie, η θερμική ενέργεια υπερισχύει κάθε αλληλεπίδρασης μεταξύ των τοπικών μαγνητικών ροπών των ιόντων. Κάτω από τη θερμοκρασία Curie, αυτές οι αλληλεπιδράσεις είναι κυρίαρχες και προκαλούν την τάξη ή την ευθυγράμμιση των τοπικών ροπών έτσι ώστε να υπάρχει αυθόρμητη μαγνήτιση.

Διαμαγνητισμός, είδος μαγνητισμού χαρακτηριστικό των υλικών που ευθυγραμμίζονται σε ορθή γωνία με ένα μη ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο και που διώχνουν εν μέρει από το εσωτερικό τους το μαγνητικό πεδίο στο οποίο είναι τοποθετημένα. Παρατηρήθηκε για πρώτη φορά από τον SJ Brugmans (1778) στο βισμούθιο και το αντιμόνιο. Ο διαμαγνητισμός ονομάστηκε και μελετήθηκε από τον Michael Faraday (ξεκινώντας το 1845). Αυτός και οι επόμενοι ερευνητές διαπίστωσαν ότι ορισμένα στοιχεία και οι περισσότερες ενώσεις εμφανίζουν αυτόν τον «αρνητικό» μαγνητισμό. Πράγματι, όλες οι ουσίες είναι διαμαγνητικές: το ισχυρό εξωτερικό μαγνητικό πεδίο επιταχύνει ή επιβραδύνει τα ηλεκτρόνια που περιφέρονται σε άτομα με τέτοιο τρόπο ώστε να αντιτίθεται στη δράση του εξωτερικού πεδίου σύμφωνα με τον νόμο του Lenz. Ο διαμαγνητισμός ορισμένων υλικών, ωστόσο, καλύπτεται είτε από μια ασθενή μαγνητική έλξη (παραμαγνητισμός) είτε από μια πολύ ισχυρή έλξη (σιδηρομαγνητισμός). Ο διαμαγνητισμός παρατηρείται σε ουσίες με συμμετρική ηλεκτρονική δομή (ως ιοντικοί κρύσταλλοι και σπάνια αέρια) και χωρίς μόνιμη μαγνητική ροπή. Ο διαμαγνητισμός δεν επηρεάζεται από τις αλλαγές της θερμοκρασίας. Για τα διαμαγνητικά υλικά, η τιμή της ευαισθησίας (μέτρο της σχετικής ποσότητας επαγόμενου μαγνητισμού) είναι πάντα αρνητική και τυπικά σχεδόν αρνητική του ενός εκατομμυριοστού.

Τα τοιχώματα μαγνητικών περιοχών είναι ένας όρος που χρησιμοποιείται στη φυσική και μπορεί να έχει παρόμοιες σημασίες στον μαγνητισμό, την οπτική ή τη θεωρία χορδών. Όλα αυτά τα φαινόμενα μπορούν να περιγραφούν γενικά ως τοπολογικά μονότονα που εμφανίζονται κάθε φορά που μια διακριτή συμμετρία σπάει αυθόρμητα.

Στο μαγνητισμό, το τοίχωμα των μαγνητικών περιοχών είναι μια διεπαφή που χωρίζει μαγνητικούς τομείς. Είναι μια μετάβαση μεταξύ διαφορετικών μαγνητικών ροπών και συνήθως υφίσταται γωνιακή μετατόπιση 90 ° ή 180 °. Ένα τοίχωμα μαγνητικών περιοχών είναι ένας σταδιακός αναπροσανατολισμός μεμονωμένων ροπών σε μια πεπερασμένη απόσταση. Το πάχος του τοιχώματος  των μαγνητικών περιοχών εξαρτάται από την ανισοτροπία του υλικού, αλλά κατά μέσο όρο εκτείνεται σε περίπου 100-150 άτομα.

Η ενέργεια ενός τοιχώματος μαγνητικών περιοχών είναι απλώς η διαφορά μεταξύ των μαγνητικών ροπών πριν και μετά τη δημιουργία του τοιχώματος  μαγνητικών περιοχών. Αυτή η τιμή εκφράζεται συνήθως ως ενέργεια ανά μονάδα εμβαδού τοίχου.

Το πλάτος του τοιχώματος των μαγνητικών περιοχών ποικίλλει λόγω των δύο αντίθετων ενεργειών που το δημιουργούν: της μαγνητοκρυσταλλικής ανισοτροπικής ενέργειας και της ενέργειας ανταλλαγής, και οι δύο τείνουν να είναι όσο το δυνατόν χαμηλότερες ώστε να βρίσκονται σε ευνοϊκότερη ενεργειακή κατάσταση. Η ενέργεια ανισοτροπίας είναι η χαμηλότερη όταν οι μεμονωμένες μαγνητικές ροπές ευθυγραμμίζονται με τους άξονες του κρυσταλλικού πλέγματος μειώνοντας έτσι το πλάτος του τοιχώματος της περιοχής. Αντίστροφα, η ενέργεια ανταλλαγής μειώνεται όταν οι μαγνητικές ροπές ευθυγραμμίζονται παράλληλα μεταξύ τους και έτσι καθιστά το τοίχωμα παχύτερο, λόγω της απόκρουσης μεταξύ τους (όπου η αντιπαράλληλη ευθυγράμμιση θα τους έφερνε πιο κοντά, δουλεύοντας για τη μείωση του πάχους του τοιχώματος). Στο τέλος επιτυγχάνεται μια ισορροπία μεταξύ των δύο και το πλάτος του τοίχου των μαγνητικών περιοχών ορίζεται ως τέτοιο.

Ένας ιδανικός τοίχος μαγνητικών περιοχών θα ήταν εντελώς ανεξάρτητος από τη θέση, αλλά οι δομές δεν είναι ιδανικές και έτσι κολλάνε σε τοποθεσίες συμπερίληψης εντός του μέσου, επίσης γνωστές ως κρυσταλλογραφικά ελαττώματα. Αυτά περιλαμβάνουν ελλείποντα ή διαφορετικά (ξένα) άτομα, οξείδια, μονωτικά και ακόμη και τάσεις εντός του κρυστάλλου. Αυτό εμποδίζει το σχηματισμό τοιχωμάτων μαγνητικών περιοχών και επίσης εμποδίζει τη διάδοσή τους μέσω του μέσου. Επομένως απαιτείται μεγαλύτερο εφαρμοσμένο μαγνητικό πεδίο για να ξεπεραστούν αυτές οι θέσεις.

Σημειώστε ότι τα τοιχώματα των  μαγνητικών περιοχών είναι ακριβείς λύσεις σε κλασικές μη γραμμικές εξισώσεις μαγνητών (μοντέλο Landau – Lifshitz, μη γραμμική εξίσωση Schrödinger και ούτω καθεξής).

Ο συντελεστής ανταλλαγής  ακαμψίας, Aex, αντιπροσωπεύει τη δύναμη των άμεσων αλληλεπιδράσεων ανταλλαγής μεταξύ γειτονικών περιστροφών. Ο συντελεστής αυτός, συνδέεται με τις περισσότερες μαγνητικές ιδιότητες όπως ο σχηματισμός skyrmion, η μαγνητική δίνη, το πλάτος των τοιχωμάτων των μαγνητικών περιοχών του μαγνητικού τομέα και το μήκος ανταλλαγής. Ως εκ τούτου, η ποσοτικοποίηση του συντελεστή ανταλλαγής ακαμψίας είναι απαραίτητη για την κατανόηση των θεμελιωδών μαγνητικών ιδιοτήτων, αλλά λίγα είναι γνωστά για τη δυναμική του συντελεστή ανταλλαγής ακαμψίας σε μια χρονική κλίμακα του υπο-picosecond .

Η δυναμική του συντελεστή ανταλλαγής ακαμψίας είναι εξαιρετικά γρήγορη σε μια διατεταγμένη μαγνητική κατάσταση σε σιδηρομαγνητική πολυστρωματική στρώση Co/Pt. Η σημαντική δυναμική μείωση του συντελεστή ανταλλαγής ακαμψίας είναι υπεύθυνη για τη δραματική αύξηση του χρόνου επαναμαγνητισμού για υψηλές επιδράσεις. Η ανάλυση δείχνει ότι ο συντελεστής ανταλλαγής ακαμψίας ποικίλλει δυναμικά, επηρεάζοντας έντονα τη συνολική διαδικασία υπερμαγνητισμού/ επαναμαγνητισμού. Υπάρχουν έρευνες που καταδεικνύουν τη δυνατότητα μηχανικής του συντελεστή ανταλλαγής ακαμψίας σε κλίμακα χρόνου femtosecond και έτσι παρέχει έναν τρόπο σχεδιασμού υπερταχείων συσκευών spintronic.

Ο σιδηριμαγνητισμός μπορεί να θεωρηθεί ως ένας συνδυασμός σιδηρομαγνητισμού και αντισιδηρομαγνητισμού λόγω των πολλών ομοιότητών τους, αλλά έχει επίσης σημαντικά σημεία διαφοράς. Παρόμοια με τους σιδηρομαγνήτες, οι σιδηριμαγνήτες εμφανίζουν μια αυθόρμητη μαγνητική ροπή (δηλαδή, μια μαγνητική ροπή ακόμη και ελλείψει μαγνητικού πεδίου) και υστέρηση κάτω από τη θερμοκρασία Curie, Tc, και συμπεριφέρονται παραμαγνητικά πάνω από τη θερμοκρασία Curie. Από την άλλη πλευρά, παρόμοια με τους αντι-σιδηρομαγνήτες, οι μαγνητικές ροπές των σιδηριμαγνητών ευθυγραμμίζονται μεταξύ τους παράλληλα, με τη διαφορά ότι η καθαρή μαγνητική ροπή είναι μη μηδενική. Τα σιδηριμαγνητικά υλικά διαφοροποιούνται έτσι από τα σιδηρομαγνητικά και αντισιδηρομαγνητικά υλικά με τη διάταξη των μαγνητικών ροπών τους και την εξάρτηση των μαγνητικών ιδιοτήτων που προκύπτουν από τη θερμοκρασία, που εξαρτώνται από τους τύπους στοιχείων του υλικού, την κρυσταλλική του δομή και τη μικροδομική επεξεργασία. Τα σιδηριμαγνητικά υλικά χρησιμοποιούνται ευρέως σε μη πτητικές συσκευές μνήμης όπως οι σκληροί δίσκοι, οι οποίοι χρησιμοποιούν την ικανότητά τους να αλλάζουν εύκολα τις περιστροφές των ηλεκτρονίων και να μαγνητίζονται. Όταν περιστρέφεται ένας σιδηριμαγνήτης μέσα σε ένα πηνίο αγώγιμου σύρματος, δημιουργείται ρεύμα, επομένως χρησιμοποιούνται ευρέως σε κινητήρες ισχύος και γεννήτριες. Επειδή οι σιδηριμαγνήτες είναι ηλεκτρικά μονωτικοί, χρησιμοποιούνται επίσης ευρέως σε συσκευές υψηλής συχνότητας επειδή δεν δημιουργούνται στροφικά ρεύματα κάτω από πεδία εναλλασσόμενου ρεύματος. Σε αντίθεση με τα σιδηρομαγνητικά υλικά, τα οποία είναι συνήθως μέταλλα, τα σιδηριμαγνητικά υλικά είναι κεραμικά και πιο συγκεκριμένα, κεραμικά οξείδια. Οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενοι σιδηριμαγνήτες σε τεχνολογικές συσκευές είναι υλικά γνωστά ως φερρίτες με τον γενικό χημικό τύπο MO·Fe₂·O₃, όπου το Μ είναι δισθενές ιόν όπως Mn²⁺ , Fe²⁺ , Co²⁺ ή Ni²⁺. Οι φερρίτες συχνά παρασκευάζονται με τυπικές τεχνικές επεξεργασίας κεραμικών. Στην περίπτωση NiO.Fe₂·O₃  σκόνες NiO και Fe₂O₃ αναμιγνύονται μαζί και πιέζονται στο επιθυμητό σχήμα πριν από τη σύντηξη (ψήσιμο) σε υψηλή θερμοκρασία για να σχηματίσουν ένα πυκνό κεραμικό της επιθυμητής σύνθεσης. Αυτή η μέθοδος παρέχει έναν αξιόπιστο τρόπο σχηματισμού μιας μεγάλης ποικιλίας σχημάτων και μεγεθών σιδηριμαγνητικών υλικών για ενσωμάτωση σε τεχνολογικές συσκευές. Τα σιδηριμαγνητικά υλικά περιέχουν μαγνητικές ροπές ευθυγραμμισμένες αντιπαράλληλα μεταξύ τους, όπως απεικονίζεται στο σχήμα, παρόμοια με τα αντισιδηρομαγνητικά υλικά. Ωστόσο, αντί να έχουν μηδενική καθαρή μαγνητική ροπή, διαφορετικοί αριθμοί μη ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων στα συστατικά μετάλλων μετάβασης δεν ακυρώνουν το ένα το άλλο, με αποτέλεσμα την αυτόματη μαγνήτιση.

Ο σίδηρος, το νικέλιο, το κοβάλτιο και μερικές από τις σπάνιες γαίες (γαδολίνιο, δυσπρόσιο) παρουσιάζουν μια μοναδική μαγνητική συμπεριφορά που ονομάζεται σιδηρομαγνητισμός επειδή ο σίδηρος (ferrum στα λατινικά) είναι το πιο κοινό και πιο σημαντικό παράδειγμα. Το σαμάριο και το νεοδύμιο σε κράματα με κοβάλτιο έχουν χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή πολύ ισχυρών μαγνητών σπανίων γαιών. Τα σιδηρομαγνητικά υλικά εμφανίζουν ένα φαινόμενο ταξινόμησης μεγάλης εμβέλειας σε ατομικό επίπεδο, το οποίο ωθεί τις μη ζευγαρωμένες περιστροφές ηλεκτρονίων να ευθυγραμμιστούν παράλληλα μεταξύ τους σε μια περιοχή που ονομάζεται τομέας. Μέσα στον τομέα, το μαγνητικό πεδίο είναι έντονο, αλλά σε ένα μαζικό δείγμα το υλικό συνήθως δεν μαγνητίζεται επειδή οι πολλοί τομείς θα είναι τυχαία προσανατολισμένοι ο ένας ως προς τον άλλο. Ο σιδηρομαγνητισμός εκδηλώνεται στο γεγονός ότι ένα μικρό εξωτερικά επιβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο, ας πούμε από ένα σωληνοειδές, μπορεί να προκαλέσει την ευθυγράμμιση των μαγνητικών τομέων μεταξύ τους και τότε θα λέμε ότι το υλικό μαγνητίζεται. Το μαγνητικό πεδίο εκκίνησης θα αυξηθεί στη συνέχεια κατά ένα μεγάλο συντελεστή που συνήθως εκφράζεται ως σχετική διαπερατότητα για το υλικό. Υπάρχουν πολλές πρακτικές εφαρμογές σιδηρομαγνητικών υλικών, όπως ο ηλεκτρομαγνήτης. Οι σιδηρομαγνήτες τείνουν να παραμένουν μαγνητισμένοι σε κάποιο βαθμό αφού υποβληθούν σε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Αυτή η τάση να «θυμούνται τη μαγνητική τους ιστορία» ονομάζεται υστέρηση. Το κλάσμα της μαγνήτισης κορεσμού που διατηρείται όταν αφαιρεθεί το πεδίο εκκίνησης ονομάζεται παραμένων υλικό, και αποτελεί σημαντικό παράγοντα στους μόνιμους μαγνήτες. Όλοι οι σιδηρομαγνήτες έχουν μέγιστη θερμοκρασία όπου η σιδηρομαγνητική ιδιότητα εξαφανίζεται ως αποτέλεσμα της θερμικής διέγερσης. Αυτή η θερμοκρασία ονομάζεται θερμοκρασία Curie. Τα σιδηρομαγνητικά υλικά ανταποκρίνονται μηχανικά σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, αλλάζοντας ελαφρώς το μήκος προς την κατεύθυνση του εφαρμοσμένου πεδίου. Αυτή η ιδιότητα, που ονομάζεται μαγνητική συστολή, οδηγεί στο γνωστό βουητό των μετασχηματιστών καθώς ανταποκρίνονται μηχανικά σε τάσεις εναλλασσόμενου ρεύματος  AC 60 Hz.

Για να κατανοήσουμε τα σκληρά μαγνητικά υλικά , πρέπει να γνωρίζουμε ορισμένους όρους. Είναι οι εξής:

Συνεκτικό πεδίο: Η ικανότητα ενός σιδηρομαγνητικού υλικού να συγκρατεί (να αντιστέκεται) ένα περιφερειακό μαγνητικό πεδίο χωρίς να απομαγνητιστεί.
Παραμένουσα μαγνήτιση (Br): Είναι η ποσότητα μαγνητισμού που μπορεί να διατηρήσει ένα σιδηρομαγνητικό υλικό ακόμη και αφού το μαγνητικό πεδίο μειωθεί στο μηδέν.
Διαπερατότητα: Χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό του τρόπου με τον οποίο ένα υλικό αντιδρά στο εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο.
Τα μαγνητικά υλικά ταξινομούνται κυρίως (με βάση το μέγεθος της δύναμης του συνεκτικού πεδίου) σε δύο υποτομείς - τα σκληρά μαγνητικά υλικά και τα μαλακά μαγνητικά υλικά,
Τώρα, μπορούμε να ορίσουμε σκληρά μαγνητικά υλικά . Αυτά τα υλικά είναι πραγματικά σκληρά βασιζόμενοι στο γεγονός ότι είναι πολύ δύσκολο να μαγνητιστούν. Ο λόγος είναι ότι τα τοιχώματα των μαγνητικών περιοχών είναι ακίνητα λόγω κρυσταλλικών ελαττωμάτων και ατελειών.

Αν όμως μαγνητιστεί, θα μαγνητιστεί μόνιμα. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο ονομάζεται επίσης μόνιμο μαγνητικό υλικό. Έχουν δύναμη συνεκτικού πεδίου μεγαλύτερη από 10kA/m και έχουν υψηλή συγκρατικότητα. Όταν εκθέτουμε έναν σκληρό μαγνήτη σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο για πρώτη φορά, ο τομέας μεγαλώνει και περιστρέφεται για να ευθυγραμμιστεί με το εφαρμοζόμενο πεδίο σύμφωνα με τη μαγνήτιση κορεσμού. Μετά από αυτό, το πεδίο αφαιρείται. Ως αποτέλεσμα, η μαγνήτιση έχει κάπως αντιστραφεί, αλλά δεν ακολουθεί πλέον, την καμπύλη μαγνήτισης. Μια συγκεκριμένη ποσότητα ενέργειας (Br ) αποθηκεύεται στον μαγνήτη και μαγνητίζεται μόνιμα.

Ιδιότητες σκληρών μαγνητικών υλικών
Μέγιστη retentivity και συνεκτικό πεδίο.
Η τιμή του ενεργειακού γινομένου (ΒΗ) θα είναι μεγάλη.
Το σχήμα του βρόχου BH είναι σχεδόν ορθογώνιο.
Βρόχος υψηλής υστέρησης.
Μικρή αρχική διαπερατότητα.
Οι ιδιότητες κάποιων σημαντικών μόνιμων μαγνητικών υλικών φαίνονται στον παρακάτω πίνακα.

Μερικά σημαντικά σκληρά μαγνητικά υλικά είναι τα ακόλουθα:

Χάλυβας
Ο χάλυβας άνθρακα έχει μεγάλο βρόχο υστέρησης. Λόγω οποιουδήποτε κραδασμού ή δόνησης, χάνουν γρήγορα τις μαγνητικές τους ιδιότητες. Αλλά ο χάλυβας βολφραμίου, ο χάλυβας χρωμίου και ο χάλυβας κοβαλτίου έχουν προϊόν υψηλής ενέργειας.

Alnico
Αποτελείται από αλουμίνιο, νικέλιο και κοβάλτιο για ενίσχυση στη βελτίωση των μαγνητικών ιδιοτήτων. Το Alnico 5 είναι το πιο σημαντικό υλικό που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία μόνιμου μαγνήτη. Το προϊόν BH είναι 36000 Jm^-3 . Χρησιμοποιείται σε λειτουργία υψηλής θερμοκρασίας.

Κράματα σπανίων γαιών:
SmCo₅ , Sm₂Co₁₇ , NdFeB κ.λπ.

Σκληροί φερρίτες ή κεραμικοί μαγνήτες (όπως φερρίτες βαρίου):
Αυτά τα υλικά μπορούν να κονιοποιηθούν και να χρησιμοποιηθούν ως συνδετικό υλικό  σε πλαστικά. Τα πλαστικά που κατασκευάζονται με αυτή τη μέθοδο ονομάζονται πλαστικοί μαγνήτες.

Συνδεδεμένοι μαγνήτες:
Χρησιμοποιείται σε κινητήρες DC, κινητήρες Stepper κλπ.
 

Νανοκρυσταλλικός σκληρός μαγνήτης (κράματα Nd-Fe-B):
Το μικρό μέγεθος και το βάρος αυτών των υλικών το καθιστούν χρήσιμο σε ιατρικές συσκευές, λεπτούς κινητήρες κ.λπ.