Magnétisme

Le magnétisme est un phénomène physique, par lequel se manifestent des forces attractives ou répulsives d'un objet sur un autre, ou avec des charges électriques en mouvement.

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Les matériaux magnétiques doux. L'aimantation jusqu'à saturation du matériau se fait aisément avec un champ magnétique extérieur assez faible.... (source : castel52.free)
Un champ magnétique se propage librement dans l'espace et dans la majorité des matériaux. Grandeur des champs magnétiques. Un champ magnétique (B) se mesure... (source : magnetosynergie)
Les matériaux magnétiques les plus spectaculaires sont les aimants permanents, un aimant permanent est un matériau ferromagnétique à fort champ cœrcitif, ... (source : canal-u)

Le magnétisme est un phénomène physique, par lequel se manifestent des forces attractives ou répulsives d'un objet sur un autre, ou avec des charges électriques en mouvement. Ces objets, dits magnétisables, sont susceptibles de réagir au champ magnétique par une réaction d'orientation et/ou de déplacement dépendante de la force et de l'orientation. Cette force s'effectue par l'intermédiaire du champ magnétique, et est produite par des charges en mouvement ou des aimants.

Expérience d'Ørsted

En 1820, le danois Hans Christian Ørsted montre qu'à proximité d'un fil rectiligne parcouru par un courant électrique, l'aiguille d'une boussole dévie.

«Le déplacement de charges électriques crée un champ magnétique.»

Caractéristiques du vecteur d'induction (densité de flux) du champ magnétique $\vec B$

Il règne un champ magnétique quand une aiguille aimantée prend une direction déterminée.

direction : celle de l'aiguille aimantée qui détecte le flux magnétique du champ.
sens : choisi selon le sens sud-nord de l'aiguille aimantée.
norme : unité SI, le tesla (T).

Magnétisme dans la matière

Faraday a montré que toute substance est aimantable mais le plus fréquemment l'effet n'est appréciable que dans un champ magnétique intense ; en plaçant dans un champ magnétique non uniforme des barreaux de substances différentes :

certains sont attirés vers les régions de champ intense en s'orientant parallèlement aux lignes de champ comme le ferait un barreau de fer doux ;
d'autres sont repoussées vers les régions où le champ magnétique est faible et s'orientent perpendiculairement aux lignes de champ ; de telles substances sont dites diamagnétiques (argent, or, cuivre, mercure, plomb, presque l'ensemble des composés organiques…).

Les substances qui sont identiques au fer sont dites ferromagnétiques (fer, cobalt, nickel et la plupart de leurs alliages surtout les aciers) et certain de leurs composés mais aussi certaines combinaisons d'éléments non ferromagnétiques.

Les substances qui subissent des actions de même nature que le fer mais nettement moins intenses sont dites paramagnétiques (aluminium, chrome, platine… et certains composés d'éléments ferromagnétiques par exemple l'alliage 68% fer 32% de nickel).

Un solénoïde (enroulement cylindrique) parcouru par un courant d'intensité $I \,$ crée un champ magnétique noté $\vec B_0 \,$ . Si, au sein de ce solénoïde on place un matériau, on constate une modification du module du vecteur champ magnétique qu'on notera désormais $\vec B \,$ .

Remarque : dans certains ouvrages anciens ou certains livres techniques $\vec B \,$ est nommé vecteur induction magnétique

Excitation magnétique

$\vec B_0 = \mu_0 \vec H$

On pose : $\vec H = \frac{\vec B}{ \mu_0} - \vec M$ , avec $\mu_0 \,$ : perméabilité du vide, et $\vec M$ , aimantation

Perméabilité et susceptibilité magnétiques

La présence du matériau modifie le champ magnétique. On pose :

$\vec B = \mu . \vec H$ avec $\mu \,$ : perméabilité magnétique du matériau

On définit par $\vec M \,$ le vecteur aimantation acquise par la matière

avec : susceptibilité magnétique du matériau
- d'où : $\vec B = \mu_0 ( \vec H + \vec M) = (1 + \chi ) \vec B_0$

On pose aussi :

$\mu_r = \frac{\mu}{\mu_0} = (1 + \chi )$ avec $\mu_r \,$ : perméabilité relative du matériau.

Classification des effets magnétiques

Diamagnétisme : matériaux pour lesquels $\chi \,$ est négatif mais toujours extrêmement faible, de l'ordre de 10^{- 5}
Paramagnétisme : matériaux pour lesquels $\chi \,$ est positif mais toujours particulièrement faible, de l'ordre de 10^{- 3}
Ferromagnétisme et ferrimagnétisme : matériaux pour lesquels $\chi \,$ est positif et particulièrement grand, il peut atteindre 10 ⁵ ! En électrotechnique seuls ces matériaux sont importants car ce sont les seuls à produire des augmentations du champ magnétique qui sont significatives (voir ci-dessous).

Origine microscopique du magnétisme

Mouvement des électrons

Le mouvement des électrons dans le nuage électronique est responsable de l'existence d'un magnétisme dit orbital, tandis que la rotation sur eux-mêmes est responsable du magnétisme de spin. Il n'est pas envisageable d'ignorer l'aspect quantique de ces phénomènes : en 1919, dans sa thèse de Doctorat, J. H. van Leeuwen prouva qu'il était impossible d'expliquer le magnétisme seulement avec l'électrodynamique de Maxwell et de la mécanique statistique classique.

Origine du diamagnétisme

L'effet d'un champ magnétique est de donner à la totalité du mouvement électronique une vitesse angulaire de rotation autour de la direction du champ magnétique appliqué : phénomène classique d'induction. Ce moment magnétique induit est proportionnel au champ appliqué et s'oppose à ce dernier. C'est l'origine du diamagnétisme qui est par conséquent un phénomène particulièrement général mais qui peut être masqué par les autres phénomènes dont l'effet est plus important.

Remarque : on emploi le terme de diamagnétisme parfait pour désigner le comportement des supraconducteurs qui créent en leur sein des courants induits qui s'opposent à toute variation de champ magnétique. Cette propriété est utilisée pour produire la lévitation magnétique des supraconducteurs.

Origine du paramagnétisme

Quand les atomes possèdent leur propre moment magnétique permanent, le diamagnétisme (toujours présent) est masqué par le paramagnétisme. Sous l'effet d'un champ magnétique extérieur, ces atomes, petits aimants permanents, s'orientent selon le champ appliqué et l'augmentent. Ce phénomène est limité par l'agitation thermique et dépend fortement de la température : (loi de Curie : $\mathbf{M} = C \cdot \frac{\mathbf{B}}{T} \,$ )

Ce phénomène est lié à l'existence du spin de l'électron.

Pour les atomes : un atome dont les couches électroniques sont complètement remplies ne possède pas de moment magnétique. Quand les couches sont incomplètes, il y a toujours un déséquilibre qui produit un moment magnétique de spin.
Pour les solides cela peut être particulièrement différent : les électrons externes participent aux liaisons chimiques. Dans les liaisons covalentes les électrons appariés sont de spin opposé. Les ions des cristaux ioniques ont des couches complètes. On peut par conséquent avoir une disparition du magnétisme propre. L'existence du paramagnétisme subsiste pour les solides composés d'atomes ayant des couches électroniques internes incomplètes : métaux de transitions et Lanthanides (terres rares) par exemple.

Ferromagnétisme

Article détaillé : Ferromagnétisme.

C'est la propriété qu'ont certains corps de s'aimanter très fortement sous l'effet d'un champ magnétique extérieur, et pour certains d'entre-eux, nommés aimants (ie. les matériaux magnétiques durs), de garder une aimantation importante même après la disparition du champ extérieur (aimantation rémanente).

Corps ferromagnétiques

Pour l'usage industriel, seul le fer, le cobalt et le nickel sont des ferromagnétiques intéressants. Certaines terres rares (les Lanthanides dans la classifiation 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 sont pas ferromagnétiques, tandis que l'alliage d'Heussler, 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) où M est un métal divalent et dont le représentant le plus ancien est la magnétite Fe₃O₄ (FeO ; Fe₂O₃).

Courbe de première aimantation

Cycles d'hystéresis

Article détaillé : 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 (du latin remanere, rester). 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.

Conséquences de l'hystérésis

L'aimantation de la matière absorbe de l'énergie qui n'est que partiellement restituée au cours de la désaimantation. Cette énergie est dissipée sous forme calorifique : le matériau s'échauffe. On démontre que les pertes par hystérésis sont proportionnelles à l'aire du cycle d'hystérésis.

Dans le cas où la substance ferromagnétique doit décrire la plupart de cycles d'hytérésis (machines tournantes, transformateurs…), il faut choisir des matériaux tels que l'aire du cycle soit aussi petite que envisageable. Ces matériaux sont dits magnétiquement «doux.»

À l'opposé, c'est grâce à une hystérésis importante qu'on peut réaliser des aimants permanents. On utilise pour leur fabrication des matériaux magnétiquement durs : certains aciers à l'aluminium, au nickel ou au cobalt conviennent idéalement. On réalise aussi des aimants avec de la poudre de fer agglomérée dans un isolant.

Matériaux magnétiques doux

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

Quelques exemples :

SuperMalloy (fer, nickel, molybdène... ) : H_c = 0, 16 A. m^-1 ; B_r = 1, 2 T (l'un des plus doux) ;
Fer + 3 % de Silicium, grains orientés : H_c = 8 A. m^-1 ; B_r = 1, 0 T

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).

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 H_cM : excitation de désaimantation irréversible.

L'application de ces matériaux est la réalisation d'aimants permanents de très forte puissance. Les ferrofluides sont des suspensions de particules aimantées de taille micronique dans un liquide. Ces liquides réagissent à un champ magnétique extérieur (par exemple, leur surface se hérisse de pointes).

Origine microscopique du ferromagnétisme

La théorie des intégrales (ou interactions) d'échange proposée par Heisenberg en 1928 forme le fondement théorique des explications de ce phénomène. Quand un solide est constitué d'atomes paramagnétiques (chaque atome peut être assimilé à un petit aimant), il se produit un couplage entre ces derniers.

Ferromagnétisme

Article détaillé : Ferromagnétisme.

Quand les atomes sont éloignés les uns des autres dans la structure cristalline, le couplage facilite un alignement de ces aimants élémentaires. C'est le cas du Fer α (structure cubique centrée), du nickel, du cobalt et , plus faiblement, de certains métaux de la famille des terres rares comme le Gadolinium. Quelques alliages dont les mailles sont grandes peuvent avoir cette propriété.

Antiferromagnétisme

Article détaillé : Antiferromagnétisme.

Quand les atomes sont plus proches les uns des autres, comme c'est le cas pour le chrome, l'oxyde de manganèse ou l'hématite, la configuration la plus stable correspond à des aimants en antiparallèle. Il n'y a alors plus d'aimantation apparente à longue distance car chaque aimant élémentaire est compensé par son voisin.

Ferrimagnétisme

Article détaillé : Ferrimagnétisme.

Il s'observe dans des matériaux comportant deux types d'atomes différents, produisant chacun des aimants élémentaires de force différente et orientés en tête-bêche.

Domaines de Weiss

Article détaillé : Domaine de Weiss.

Quand un matériau est ferro ou ferrimagnétique, il est divisé en domaines, nommés domaines de Weiss, à l'intérieur duquel l'orientation magnétique est semblable. Ce domaine se comporte alors comme un aimant. Ces domaines sont scindés par des parois dites parois de Bloch.

Ces domaines n'existent pas quand les dimensions du matériau sont particulièrement faibles (quelques nm). Ces matériaux sont dits nanocristallins.
Le déplacement de ces parois est responsable des phénomènes d'hystérésis.

Voir aussi

Références

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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