Le ferromagnétisme est la propriété qu'ont certains corps de s'aimanter particulièrement fortement sous l'effet d'un champ magnétique extérieur, et pour certains (les aimants, matériaux magnétiques durs) de garder une aimantation importante même après la disparition du champ extérieur. Cette propriété résulte du couplage collectif des spins entre centres métalliques d'un matériau ou d'un complexe de métaux de transition, les moments de l'ensemble des spins étant orientés de la même façon au sein d'un même domaine de Weiss.

Susceptibilité magnétique et champ magnétique

Un matériau ferromagnétique plongé dans un champ magnétique génère un nouveau champ magnétique au sein de ce dernier. Ce phénomène est plus couramment nommé aimantation.

Le champ généré par l'aimantation s'ajoute au champ d'origine, et c'est la somme des deux qui est observée. Dans un tel cas, le terme de champ magnétique sert à désigner le champ total, et le champ d'origine prend le nom d'excitation magnétique.

En d'autres termes, on est quelquefois amené à distinguer le champ d'origine, l'excitation magnétique, notée H, du champ total, noté B, reliés l'un à l'autre par :

avec μ₀ la perméabilité magnétique du vide et M l'aimantation du milieu.

Pour un matériau ferromagnétique, la susceptibilité magnétique χ, donnée par la formule

,

est particulièrement élevée.

L'aimantation est une fonction dépendant de nombreux paramètres, comme la température, le champ magnétique, et même des champs magnétiques appliqués auparavant (cycle d'hystérésis, voir ci-dessous).

Influence de la température

Températures de Curie de matériaux ferromagnétiques (* = ferrimagnétiques) ^[1]

Matériaux	Temp. de Curie (K)
Co	1388
Fe	1043
FeOFe2O3*	858
MnBi	630
Ni	627
MnSb	587
573
CrO2	386
MnAs	318
Gd	292
Dy	88
EuO	69

En général, lorsque la température augmente, les moments magnétiques deviennent de moins en moins liés au réseau cristallin et s'orientent plus aisément sous l'effet d'un champ extérieur. La susceptibilité magnétique augmente ainsi rapidement à l'approche de la température de Curie, notée T_C. Elle atteint sa plus grande valeur à T_C, puis s'annule brutalement : c'est le pic d'Hopkinson ou effet Hopkinson, signe d'une transition de phase du second ordre.

Au-delà de sa température de Curie, le matériau (re) devient paramagnétique et l'aimantation spontanée est nulle. Sa susceptibilité suit alors la loi de Curie-Weiss,

.

À T = T_C, la susceptibilité tend vers l'infini, ce qui est conforme à l'expérience.

Courbe de première aimantation

Quand un corps est aimanté pour la première fois, son aimantation croît selon sa courbe de première saturation jusqu'à sa valeur de saturation.

Pour les faibles valeurs de l'aimantation M la courbe d'aimantation suit une fonction de la forme :

,

connue sous le nom de loi de Rayleigh^[2], où χ H et ξ |H|²décrivent respectivement les variations réversible et irréversible de l'aimantation.

Cycles d'hystérésis

• Quand on a magnétisé un échantillon de matériau jusqu'à la saturation et qu'on fait décroître l'excitation H, on constate que B décroît aussi mais en suivant une courbe différente qui se situe au-dessus de la courbe de première aimantation. Ceci est le fait d'un retard à la désaimantation. On dit qu'il y a hystérésis
• Quand H est ramené à 0, il subsiste un champ magnétique B_r nommé champ rémanent^[3]. Pour annuler ce champ rémanent, il est indispensable d'inverser le courant dans le solénoïde, c'est-à-dire d'imposer à H une valeur négative. Le champ magnétique s'annule alors pour une valeur de l'excitation H_c nommée excitation cœrcitive.

Matériaux magnétiques doux

Ce sont généralement des matériaux doux mécaniquement. Ces matériaux ont des cycles particulièrement étroits : l'excitation cœrcitive ne dépasse pas 100A·m^-1. Ils possèdent une grande perméabilité. Quelques exemples :

• SuperMalloy (fer, nickel, molybdène, etc. )  : H_c = 0.16A. m^-1, B_r = 1, 2 T (l'un des plus doux).
• Fer + 3 % de Silicium, grains orientés : H_c = 8A·m^-1, B_r = 1, 0 T.
• Certains alliages métalliques amorphes à base de fer.

Les matériaux magnétiques doux sont utilisés pour réaliser des électroaimants (leur aimantation doit pouvoir aisément être annulée) ou des circuits magnétiques fonctionnant en régime alternatif (machines électriques, transformateurs), car ce phénomène d'hystérésis est responsable de pertes d'énergie.

Matériaux magnétiques durs

Contrairement aux qui ont précédé, les cycles sont extrêmement larges : plusieurs centaines de kA·m^-1. Il est impossible de les dessiner dans un même repère que les précédents.

Certains de ces matériaux à base de terres rares (alliages samarium-cobalt ou néodyme-fer-bore), ne se désaimantent pas, même quand on annule le champ magnétique interne (l'excitation vaut alors H_cB). Pour annuler (en fait inverser) l'aimantation, il est indispensable d'apporter une excitation magnétique qu'on nomme excitation de désaimantation irréversible, notée H_cM.

L'application des propriétés de ces matériaux est la réalisation d'aimants permanents de très forte puissance.

Corps ferromagnétiques

Pour l'usage industriel, seul le fer, le cobalt et le nickel sont ferromagnétiques. Certaines terres rares (Lanthanides dans la classification périodique) sont aussi ferromagnétiques à basse température. En ce qui concerne les alliages, la situation est particulièrement complexe : Certains alliages de fer et de nickel ne le sont pas tandis que l'alliage d'Heusler, constitué seulement de métaux non ferromagnétiques (61% Cu, 24% Mn, 15% Al), est ferromagnétique. Enfin, il faut ajouter les ferrites dont la composition est de la forme (MO ; Fe₂O₃) ou M est un métal divalent et dont le représentant le plus ancien est la magnétite Fe₃O₄ (FeO ; Fe₂O₃) du nom de la ville de Magnésie, en Asie Mineure.

Notes et références

Voir aussi

Article connexe

• Paroi de Bloch

Bibliographie

• Charles Kittel (trad. Nathalie Bardou, Évelyne Kolb), Physique de l'état solide [«Solid state physics»], 1998 [détail des éditions] 
• L. P. Lévy, Magnétisme et Supraconductivité (EDP Sciences)
• Lev Landau et Evguéni Lifchitz, Physique théorique, tome 8 : Électrodynamique des milieux continus, éd. MIR, Moscou [détail des éditions]
• Neil W. Ashcroft, N. David Mermin, Physique des solides [détail des éditions]

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