Магнетики, магнитная проницаемость которых достигает больших значений и зависит от внешнего магнитного поля и предшествующей истории, называются ферромагнетиками. Они обладают остаточной намагниченностью, т.е. их намагниченность может быть отличной от нуля в отсутствии внешнего магнитного поля. Намагниченность ферромагнетика не увеличивается безгранично при увеличении напряженности, а имеет предел, называемый намагниченностью насыщения. Если производить перемагничивание образца в периодическом магнитном поле, то кривая зависимости В(Н) имеет вид петли, называемой петлей гистерезиса (рис.1).

 

Кривая ОА является кривой намагничивания. Замкнутая кривая ACDFGKA является петлей гистерезиса.

Ферромагнетизм может быть рассмотрен только в рамках квантовой теории. В рамках классической теории можно лишь описать его свойства и обсудить качественно механизм его возникновения. В опытах Эйнштейна и де Гааз было экспериментально установлено, что ферромагнетизм обусловлен спинами электронов. Ферромагнетики обладают свойством спонтанной намагниченности. Однако образцу в целом быть намагниченным энергетически невыгодно. Поэтому он разбивается на малые намагниченные области – домены. Каждый домен намагничен в определенном направлении, но направление вектора намагниченности в соседних доменах различно. Появление доменов связано с обменным взаимодействием. Вследствие того, что электроны подчиняются статистике Ферми-Дирака, которая не допускает нахождения двух частиц в одном состоянии, электроны с параллельными спинами оказываются как бы раздвинутыми в пространстве, благодаря чему уменьшается энергия их кулоновского взаимодействия по сравнению с электронами с антипараллельными спинами, когда они могут располагаться в пространстве более тесно. Энергией обменного взаимодействия называется разность энергий между конфигурациями с параллельными и антипараллельными спинами.

Теория кривых намагничивания и петель гистерезиса важна для разработки новых и улучшения существующих магнитных материалов.

Связь ферромагнетизма с многими немагнитными свойствами вещества позволяет по данным измерений магнитных свойств получить информацию о различных тонких специфических особенностях электронной структуры кристаллов. Поэтому ферромагнетизм интенсивно исследуют на электронном и ядерном уровнях, применяя электронный ферромагнитный резонанс, ядерный магнитный резонанс, рассеяние на ферромагнитных кристаллах различного типа корпускулярных излучений (с учётом влияния магнитных моментов взаимодействующих частиц) и та далее. Впоследствии возникли интересные контакты ферромагнетизма с физикой элементарных частиц и астрофизикой. Здесь следует упомянуть об изучении в ферромагнетиках явлений аннигиляции позитронов, образования мюония и позитрония, рассеяния мюонов, а в астрофизике - о проблеме магнетизма нейтронных звёзд.

Линейные размеры доменов составляют 10^-2 – 10^-5 см. Переходный слой, разделяющий два домена, намагниченные в противоположных направлениях, называются «стенкой Блоха». В пределах такого слоя происходит постепенное изменение ориентации спинов; плавность перехода от одного направления магнитного момента к противоположному обеспечивает меньшую удельную энергию доменных границ. Толщина « стенок Блоха» может составлять несколько сот межатомных расстояний.