Certains matériaux (en particulier le fer) sont attirés par les aimants et sont susceptibles de former eux-mêmes des aimants. Le mécanisme physique à la base de cette propriété s'appelle le ferromagnétisme.

La matière répond d'ordinaire faiblement aux champs magnétiques, les forces engendrées par la présence d'un champ magnétique étant trop faibles pour jouer un rôle prépondérant. Les matériaux ferromagnétiques forment donc une classe à part. Ils s'aimantent en présence d'un champ magnétique extérieur et conserve cette aimantation lorsque le champ extérieur disparaît. Le fer, le cobalt, le nickel et leurs alliages, certaines terres rares (comme le samarium et le néodyme) et certains actinides sont ferromagnétiques.

Remarque : les matériaux qui sont aimantés en présence d'un champ magnétique extérieur mais qui ne conservent pas cette aimantation lorsqu'il disparaît sont appelés paramagnétiques.

Moment magnétique dipolaire des électrons

A l'échelle atomique, les électrons présentent un moment magnétique dipolaire, une propriété qui trouve son origine dans le spin de ces électrons. Comme on l'a vu dans le post consacré au nuage électronique, les électrons se répartissent en couches et en sous-couches et sont caractérisés par 4 nombre quantiques : n, l, m et s (s étant le nombre de spin, égal à -1/2 ou à +1/2) qui correspondent tous à un état quantique donné. Lorsqu'une couche est saturée (lorsque tous ses états quantiques sont occupés) elle comporte autant d'électrons de spin +1/2 que d'électrons de spin -1/2. Les moments dipolaires magnétiques de ces électrons se compensent et le moment résultant est nul.

Ce n'est pas le cas pour la couche de valence. C'est d'autant plus vrai lorsqu'elle est peu occupée. Les électrons vont avoir tendance à occuper d'abord des états de spin identique (règle de Hund). C'est également le cas lorsque le matériau forme une structure cristalline dont la cohésion est assurée par un flux d'électrons libres (voir le post sur la cohésion de la matière). La présence d'un champ magnétique extérieur va aligner les moments magnétiques dipolaires de ces électrons (paramagnétisme). Dans le cas des matériaux ferromagnétiques, cet état correspond à un optimum énergétique et il persiste lorsque le champ magnétique extérieur disparaît.

Ferromagnétisme et ferrimagnétisme

Les matériaux ferromagnétiques présentent une aimantation naturelle sans qu'il soit besoin d'appliquer un champ magnétique extérieur. Dans la mesure où il correspond à un optimum énergétique, l'alignement des moments magnétiques dans le matériau peut se produire spontanément, de proche en proche. On parle alors d'ordre magnétique au sein du matériau. (C'est cette propriété qui permet l'existence des aimants permanents.) Lorsque les moments magnétiques dipolaires des électrons participant au ferromagnétisme au sein d'un même « grain » de matière sont alignés dans le même sens, le matériau est dit ferromagnétique. Lorsqu'une partie des moments magnétiques est alignée dans le sens opposé, on dit que le matériau est ferrimagnétique.

Température de Curie

L'alignement des moments dipolaires est sensible à la température. L'agitation thermique altère l'état des moments magnétiques. Au-delà d'un certain seuil, appelé température de Curie, l'ordre magnétique disparaît. La température du Curie du nickel est de 627 degrés, celle du fer est de 1043 degrés et celle du cobalt 1388. Le samarium-cobalt SmCo₅, un aimant à base de terre rare a une température de Curie de 995 degrés. Celle du néodyme-fer-bore, un autre aimant à base de terre rare, n'est que de 585 degrés.

Cycle d'hystérésis

Lorsqu'on applique un champ magnétique exterieur à un matériau ferromagnétique, le moment magnétique résultant commence par augmenter rapidement avant de s'approcher d'une asymptote. On dit que la matériau a atteint son niveau de saturation magnétique. Si on réduit le champ magnétique extérieur et qu'on l'annule, le moment magnétique résultant ne s'annule pas complètement : il subsiste un moment magnétique rémanent (c'est ce qui caractérise les matériaux ferromagnétiques). Pour annuler le moment magnétique, il faut appliquer au matériau un champ magnétique inverse appelé champ coercitif. Au-delà, le moment magnétique s'inverse jusqu'à atteindre le niveau de saturation opposé.

Si on trace les valeurs de l'aimantation en fonction du champ extérieur, on voit apparaître une courbe d'hystérésis. Voir la figure ci-dessous : +M_s et -M_s sont les niveaux de saturation magnétique, +H_c et -H_c les champs coercitifs et +M_r et -M_r les moments rémanents. L'aire du cycle d'hystérésis correspond aux pertes magnétiques lorsque le matériau effectue un cycle complet. Ces pertes magnétiques se traduisent par un échauffement qui peut être problématique. On choisit donc de préférence des matériaux présentant le cycle le plus étroit possible pour minimiser les pertes (matériaux ferromagnétiques doux).

Susceptibilité magnétique

La courbe d'hystérésis présente des sections droites pour lesquelles l'aimantation est proportionnelle au champ appliqué. On appelle susceptibilité magnétique le coefficient de proportionnalité. Si aimantation et champ extérieur (excitation magnétique) sont exprimés dans la même unité, la susceptibilité est un terme sans dimension. Pour les matériaux ferromagnétique, elle est très grande et peut atteindre 10000 !