Magnétisme

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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.

Histoire[modifier | modifier le code]

Depuis la nuit des temps et au fil des âges, le magnétisme a toujours fasciné les esprits ! Considéré comme un des grand miracles de la nature, il fut encore au XVIIème siècle appelé « le labyrinthe et abîme impénétrable des philosophes » par Athanasius Kircher dans son monumental traité sur l’aimant. Ce phénomène physique hors du commun est à l’origine de choses surprenantes comme l’attraction ou la répulsion d’objets, voire même dans certains cas leur lévitation. Cependant, les conditions de la découverte du magnétisme reste encore à ce jour inconnues : impossible donc d'y associer une date précise.

De l'Antiquité au XVIIème siècle : La genèse du Magnétisme[modifier | modifier le code]

Gravure d'une boussole (XIIème siècle)

On attribue à Aristote ce qu'on pourrait appeler la première « discussion scientifique » sur le magnétisme avec Thalès de Milet, qui a vécu entre 625 et 545 avant JC. Vers la même époque, dans l'Inde ancienne, le chirurgien indien Sushruta, était le premier à faire usage de la pierre d'aimant à des fins chirurgicales . Mais le premier à qui l'on attribue véritablement la découverte de l’aimantation, c'est le philosophe grec Platon (427avJC-347avJC).

Il est extrêmement compliqué de situer l'invention de la boussole, mais c'est pourtant le premier objet qui permit aux Hommes d'apprivoiser et d'utiliser le magnétisme pour leur faciliter la vie. Pour les européens, cette invention est située à la fin du XIIème siècle. Alexander Neckam (1157-1217) a écrit « De naturis rerum » dans lequel il mentionne la « boussole qui indique le nord et guide les marins ». Le trouvère Guiot de Provins(1150-1220) a composé un poème dans lequel il mentionne également la boussole. Jacques de Vitry (1170-1240) nous parle lui d’une aiguille qui, touchée par l’aimant, reste pointée vers l’étoile Polaire. On a longtemps attribuée l'invention de la boussole à l'italien Flavio Gioia en 1302, mais les historiens ont démontré au XXème siècle que ces faits n'étaient pas véritablement fondés. Une autre hypothèse a alors été avancée : ce serait un Majorquin du nom de Raymond Llull (1232-1315) qui aurait pour la première fois découvert le pouvoir d’une aiguille d’acier touchée par l’aimant de se diriger vers le nord qui l'aurait utilisé pour la navigation.

Pour les chinois, cette découverte remonte à une époque plus ancienne. L’ouvrage « Mengxi bitan » écrit en 1088 par le médecin Shen Gua(960-1127) décrivait déjà une aiguille indiquant le sud lorsqu’elle était frottée par la pierre d’aimant.

Enfin, l’hypothèse selon laquelle les arabes auraient apporté la boussole de Chine en Europe par la navigation a été abandonnée. Le plus probable est en réalité que la boussole ait été inventée indépendamment en Europe et en Chine.

Il faudra ensuite attendre le XVIIème siècle et le physicien René Descartes(1596-1650) pour voir une évolution dans l'histoire du magnétisme. Il fut le premier à établir une théorie physique sur le magnétisme dans son ouvrage « Les principes de la philosophie  » (1644).

XIXème siècle : La révolution de l’électromagnétisme[modifier | modifier le code]

Expérience de Luigi Galvani(1791)

La deuxième moitié du XVIIIème siècle voit naître un intérêt croissant pour les phénomènes électriques ainsi que le début d’une quête visant à découvrir le lien entre l’électricité et le magnétisme.

Cela commence avec le physicien et médecin italien Luigi Galvani. Ce dernier étudie l’influence de l’électricité sur les membres inférieurs de grenouilles. Ses expériences l’amène à publier ses résultats dans une étude : « De viribus electricitatis in motu musculari. Commentarius » en 1791. Dans cette étude, il formule l’hypothèse d’une « électricité animale » secrétée par le cerveau et qui se déchargerait en reliant les nerfs et les muscles par du métal.

Mermer - Mémoire sur la découverte du magnétisme animal
André-Marie Ampère
Michael Faraday

Ces travaux inspirèrent le médecin viennois Franz Mesmer [1] qui exploitait le « magnétisme animal » pour prodiguer des soins à ses patients. Devant la popularité de cette méthode pourtant controversée, le roi Louis XVI ordonne, en 1784, à deux commissions composées de médecins et de scientifiques d’évaluer la rigueur scientifique de cette méthode. Ces commissions condamnèrent le magnétisme animal pour cause de moralité publique. C’est donc à cette période que le mot magnétisme prend deux sens différents : on distingue désormais le magnétisme animal du magnétisme physique.

En 1820, pour la première fois, le lien entre l’électricité et le magnétisme est mis en évidence par le physicien danois Hans Christian Œrsted au cours d’une expérience. Le physicien place une boussole sous un fil dans lequel il fait passer un courant électrique. Il observe comme résultat que l’aiguille de la boussole se place perpendiculairement à la direction du fil traversé de courant. Une vidéo de vulgarisation réalisée par le CNRS permet une voir et comprendre cette expérience [2]. Il publie ses résultats le 21 juillet 1820 dans un article « Expermienta circa effectum conflictus electrici in acum magneticam » qui sera traduit et diffusé dans toute l’Europe. La même année, les résultats d’Œrsted arrivent entre les mains des physiciens français François Arago et André-Marie Ampère qui s’empressent de refaire l’expérience avec succès.

Cette expérience marque le début de la « révolution électromagnétique » : les années qui vont suivre 1820 seront témoins de grands changements tant par la compréhension des phénomènes électromagnétiques que par la mise en application de ces phénomènes par de nouvelles inventions.

Toujours en 1820, les français Jean-Baptiste Biot et Félix Savart parviennent à décrire mathématiquement le champ magnétique généré par une distribution de courants continus. La loi de Biot-Savart constitue le pilier de la magnéto-statique (étude des champs magnétiques indépendants du temps).

En 1821, André-Marie Ampère théorise le magnétisme par l’existence dans les matériaux conducteurs d’innombrables particules minuscules chargées électriquement et en mouvement. La même année, Michael Faraday crée un premier moteur électrique primitif en « inversant » l’expérience d’Oersted. Il place un aimant permanent dans un bain de mercure et place un fil parcouru par un courant électrique dans ce bain. Le fil se met à tourner de manière circulaire.

En 1825, le physicien anglais William Sturgeon crée le premier électro-aimant pratique. Peu de temps après l’invention du moteur électrique, Michael Faraday découvre en 1831 l’induction électromagnétique, soit l’apparition d’une force électromotrice dans un conducteur électrique soumis à un champ magnétique variable. Ce phénomène constitue actuellement la base de notre technologie et trouve son application dans les transformateurs, les dynamos ou bien encore dans les alternateurs. Faraday décrit également en 1845 le paramagnétisme et le diamagnétisme.

La deuxième partie du XIXème siècle sera marquée par la formulation des équations de Maxwell publiées en mars 1861 dans l’étude « On physical lines of forces ». Dans cette étude, le physicien écossais James Clerk Maxwell[3] rassemble les travaux sur le magnétisme et sur l’électricité réalisés par Michael Faraday et André-Marie Ampère en un ensemble de vingt équations qui, plus tard, seront réduites à quatre. Ces équations décrivent le comportement du champ électromagnétique et ses interactions avec la matière.

En 1887, l’inventeur américain d’origine croate Nikola Tesla invente le premier moteur électrique à induction, utilisant les travaux de Michael Faraday sur le moteur électrique, l’induction électromagnétique et le courant alternatif. En 1890, le physicien et ingénieur écossais James Alfred Ewing étudie les propriétés magnétiques des métaux et découvre le phénomène d’hystérésis.

Quelques années plus tard, le physicien français Pierre Curie étudie à son tour les propriétés magnétiques des matériaux et met en évidence que la susceptibilité magnétique d’un matériau est inversement proportionnelle à sa température. Il en tirera la loi de Curie en 1895.

Enfin, à la toute fin du XIXème siècle, l’ingénieur danois Valdemar Poulsen invente, en 1898, l’enregistrement magnétique en créant un dispositif permettant de transformer les variations de champ magnétique d’une bande en un signal électrique.

XXème siècle : Des progrès scientifiques et techniques[modifier | modifier le code]

Portrait de Pierre Curie(1859-1906).

C'est à la fin du XIXème siècle et au début du XXème que l'étude théorique des matériaux magnétiques est abordée avec succès. Paul Langevin, s'inspirant notamment des travaux de Pierre Curie, utilise la physique statistique de Boltzmann pour établir la théorie statistique classique du paramagnétisme. Il précise également les notions de magnétisme induit et permanent.

Ses théories de l'antiferromagnétisme (1936) et du ferrimagnétisme (1948) vaudront à Louis Néel le prix Nobel de physique en 1970. C'est un an après la publication de la première qu'est découvert le premier antiferromagnétique incontestable, MnO, par Henri Bizette et Belling Tsaï.

L'avènement de la mécanique quantique, et particulièrement la découverte du spin de l'électron en 1925 par George Uhlenbeck et Samuel Goudsmit, eurent une importance fondamentale. En effet, cela permit d'expliquer l'origine des champs moléculaires gigantesques observés dans les substances fortement magnétiques, dont l'existence ne pouvait être démontrée par la seule interaction dipolaire magnétique[4] entre moments magnétiques atomiques. Werner Heisenberg montra ainsi en 1929 que ces champs étaient d'origine électrostatique et de nature quantique, et qu'ils pouvaient s'interpréter en termes de couplage entre deux spins voisins.

Ludwig Boltzmann(1844_1906)

Le phénomène de résonance magnétique nucléaire (RMN), basé sur le couplage entre le moment magnétique du noyau des atomes et le champ magnétique externe, est découvert par Felix Bloch et Edward Purcell en 1946, ce qui leur vaudra un prix Nobel en 1972. Dès les années 1960, des scientifiques comprennent que la RMN peut avoir des applications dans le domaine de la médecine, et c'est ainsi que la première image obtenue par résonance magnétique (IRM[5]) est réalisée par l'américain Paul Lauterbur en 1973.

Une autre découverte importante du XXème siècle est celle des supraconducteurs, effectuée par Kamerlingh Onnes en 1911. Les supraconducteurs ouvrent des perspectives immenses car ils permettent d'utiliser une composante du magnétisme jusqu'alors sous-exploitée : la lévitation.En 1986, Johannes Georg Bednorz et Karl Müller, découvrent des supraconducteurs à haute température critique[6] (supérieure à 30K), contredisant les théories établies jusqu'alors. Cette famille de matériaux permet de transporter beaucoup plus d'électricité dans des câbles bien plus petits, et laisse donc envisager des progrès considérables dans les domaines des transports ou encore des nouvelles technologies. Des trains à sustentation magnétiques utilisant les supraconducteurs sont actuellement en fonctionnement et promettent une révolution de nos moyens de transport.

Caractéristiques du vecteur d'induction (densité de flux) du champ magnétique \vec B[modifier | modifier le code]

Il règne un champ magnétique lorsqu'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).

Excitation magnétique[modifier | modifier le code]

Magnétisme 1.jpg

\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[modifier | modifier le code]

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

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

On pose aussi :

Description macroscopique du magnétisme dans la matière[modifier | modifier le code]

Faraday a montré que toute substance est aimantable mais le plus souvent 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. Les substances qui sont comparables au fer sont dites ferromagnétiques ;
  • 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.

Les substances qui subissent des actions de même nature que le fer mais beaucoup moins intenses sont dites paramagnétiques.

Un solénoïde (enroulement cylindrique) parcouru par un courant d'intensité I \, crée un champ magnétique noté \vec B_0 \,. Si, à l'intérieur de ce solénoïde on place un matériau, on constate une modification du module du vecteur champ magnétique que l'on notera maintenant \vec B \,.

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

Classification des effets magnétiques[modifier | modifier le code]

Ci-dessous les principales familles de matériaux magnétiques classées selon leur susceptibilité magnétique \chi \, :

Type de magnétisme Valeur de \chi \, Signe de \chi \, Moment magnétique des atomes[7] Exemples
Diamagnétisme Extrêmement faible, de l'ordre de 10- 5 Négatif Aucun Argent, or, cuivre, mercure, plomb, presque tous les composés organiques
Paramagnétisme Très faible, de l'ordre de 10- 3 Positif Orientés au hasard Platine, manganèse, aluminium et certains composés d'éléments ferromagnétiques par exemple l'alliage 68 % fer 32 % de nickel
Ferromagnétisme Très grande, il peut atteindre 10 5 Positif Alignés Fer, cobalt, nickel et un grand nombre de leurs alliages, en particulier les aciers, et certain de leurs composés, ainsi que certaines combinaisons d'éléments non ferromagnétiques
Antiferromagnétisme Très grande Positif Alignés parallèles et antiparallèles Chrome, oxyde de manganèse, hématite
Ferrimagnétisme Très grande, il peut atteindre 10 5 Positif Alignés et antiparallèles Ferrite de baryum

En électrotechnique seuls les matériaux ferromagnétiques et ferrimagnétiques sont importants car ce sont les seuls à produire des augmentations du champ magnétique qui sont significatives (voir ci-dessous).

Origine microscopique du magnétisme[modifier | modifier le code]

Description classique du magnétisme dans la matière[modifier | modifier le code]

Dans une vision classique où l'électron est assimilé à une particule chargée quasi-ponctuelle, on peut identifier deux sources au magnétisme de la matière : le mouvement de révolution autour du noyau donne naissance à un magnétisme dit orbital, et l'existence d'un moment propre (que l'on interprète abusivement comme la rotation de l'électron sur lui-même) est responsable du magnétisme de spin.

Origine du diamagnétisme[modifier | modifier le code]

Lorsqu'on allume le champ magnétique, le flux magnétique passant à travers la surface décrite par la trajectoire fermée de l'électron est modifié. L'électron réagit selon le phénomène classique d'induction, ce qui induit un moment magnétique opposé et proportionnel au champ appliqué. C'est l'origine du diamagnétisme qui est un phénomène présent dans tous les matériaux mais qui peut être masqué par les autres phénomènes (en particulier paramagnétiques) dont l'effet est plus important.


Origine du paramagnétisme[modifier | modifier le code]

Lorsque 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'amplifient. 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} \,)

Limite de la description classique[modifier | modifier le code]

Ces deux descriptions ont leur limites. En effet, pour le diamagnétisme, on a dû supposer que le rayon de l'orbite de l'électron était constant ; autrement le calcul donnerait une réponse magnétique nulle. Pour le paramagnétisme, on a supposé que les moments magnétiques avaient une norme constante \mu alors que la mécanique classique autorise tous les moments, car encore une fois on aurait trouvé une réponse magnétique inexistante. Les deux raisonnements précédents sont donc des raisonnements semi-classiques.

Ainsi, il n'est pas possible 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 uniquement à l'aide de l'électrodynamique de Maxwell et de la mécanique statistique classique. C'est l'essence du théorème de Bohr-van Leeuwen.

Description quantique du magnétisme dans la matière[modifier | modifier le code]

Origine du diamagnétisme[modifier | modifier le code]

  • Dans les isolants : si la vision classique du diamagnétisme avec la loi de Lenz est erronée, l'approche quantique à partir de l'écriture de l'hamiltonien en présence d'un champ magnétique justifie cette interprétation de la modification des orbites électroniques.
  • Dans les métaux : en plus du diamagnétisme atomique précédent des électrons de cœur, on peut observer une autre contribution des électrons de conduction. Celle-ci est due à la présence de niveaux de Landau discrets (à la place de la structure de bandes continue) dès que le champ appliqué est non nul. C'est le diamagnétisme de Landau.

Remarque : on emploie le terme de diamagnétisme parfait pour désigner le comportement des supraconducteurs qui créent en leur sein des courants induits surfaciques qui s'opposent à toute variation de champ magnétique et maintiennent un champ magnétique interne nul pour les supraconducteurs de type I. Cette propriété est utilisée pour produire la lévitation magnétique avec des supraconducteurs (de type II).

Origine du paramagnétisme[modifier | modifier le code]

  • Dans les isolants : Il faut modifier l'approche classique en se rappelant que les valeurs possibles de la projection du moment cinétique sont discrètes. Au lieu de calculer une intégrale donnant le paramagnétisme de Langevin, on doit calculer une somme discrète donnant le paramagnétisme de Brillouin. Ces deux approches tendent vers le même résultat dans la limite classique où le moment cinétique J tend vers +\infty.
  • Dans les métaux : il existe une contribution supplémentaire due aux électrons de conduction, mais nettement plus faible que le paramagnétisme des isolants car elle ne concerne que les électrons près du niveau de Fermi. L'application d'un champ magnétique va énergétiquement favoriser les électrons de spin parallèle (énergie Zeeman), et le système aura alors plus d'électrons de conduction de spin parallèle qu'anti-parallèle. Ainsi, on observe une réponse paramagnétique, c'est le paramagnétisme de Pauli. Pour des électrons presque libres, on montre que la réponse paramagnétique de Pauli est en valeur absolue trois fois plus grande que la contribution de Landau. Donc le diamagnétisme est cachée par l'effet paramagnétique.

Ferromagnétisme[modifier | modifier le code]

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, appelés aimants (ie. les matériaux magnétiques durs), de garder une aimantation importante même après la disparition du champ extérieur (aimantation rémanente).

Corps ferromagnétiques[modifier | modifier le code]

Pour l'usage industriel, seul le fer, le cobalt et le nickel sont des ferromagnétiques intéressants. Certaines terres rares (les Lanthanides dans la classification périodique) sont également ferromagnétiques à basse température.

En ce qui concerne les alliages, la situation est très complexe : certains alliages de fer et de nickel ne sont pas ferromagnétiques (ex: acier inoxydable austénitique), alors que l'alliage d'Heusler, constitué uniquement 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[modifier | modifier le code]

1ere aimantation.jpg

Cycles d'hystéresis[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Hystérésis magnétique.

Lorsqu'on a magnétisé un échantillon de matériau jusqu'à la saturation et que l'on fait décroître l'excitation H, on constate que B décroît également, 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.

Lorsque H est ramené à 0, il subsiste un champ magnétique Br appelé champ rémanent (du latin remanere, rester). Pour annuler ce champ rémanent, il est nécessaire 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 Hc appelée excitation coercitive.

Conséquences de l'hystérésis[modifier | modifier le code]

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 un grand nombre de cycles d'hytérésis (machines tournantes, transformateurs…), il faut choisir des matériaux tels que l'aire du cycle soit aussi petite que possible. Ces matériaux sont dits magnétiquement « doux. »

À l'opposé, c'est grâce à une hystérésis importante que l'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 parfaitement. On réalise aussi des aimants avec de la poudre de fer agglomérée dans un isolant.

Matériaux magnétiques doux[modifier | modifier le code]

Cycle matériaux doux.jpg
Article détaillé : fer doux.

Ce sont en général des matériaux doux mécaniquement. Ces matériaux ont des cycles très étroits : l'excitation cœrcitive ne dépasse pas 100 A.m- 1. Ils possèdent une grande perméabilité.

Quelques exemples :

  • Su Permalloy (fer, nickel, molybdène...) : Hc = 0,16 A.m-1 ; Br = 1,2 T (l'un des plus doux) ;
  • Fer + 3 % de Silicium, grains orientés : Hc = 8 A.m-1 ; Br = 1,0 T

Les matériaux magnétiques doux sont utilisés pour réaliser des électroaimants (leur aimantation doit pouvoir facilement être annulée) ou des circuits magnétiques fonctionnant en régime alternatif (machines électriques, transformateurs).

Matériaux magnétiques durs[modifier | modifier le code]

Cycle matériaux durs.jpg

Contrairement aux précédents, 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 lorsqu'on annule le champ magnétique interne (l'excitation vaut alors HcB). Pour annuler (en fait inverser) l'aimantation, il est nécessaire de fournir une excitation magnétique que l'on appelle HcM : 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[modifier | modifier le code]

La théorie des intégrales (ou interactions) d'échange proposée par Heisenberg en 1928 constitue le fondement théorique des explications de ce phénomène. Lorsqu'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[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Ferromagnétisme.

Lorsque les atomes sont éloignés les uns des autres dans la structure cristalline, le couplage favorise 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. Un matériau ferromagnétique peut être défini par un système où les moments dipolaires peuvent s'orienter facilement sous l'influence d'un champ magnétique extérieur. Dans un aimant, les moments magnétiques restent figés dans la même direction créant un champ magnétique. Lorsqu'on approche un aimant de plusieurs trombones, ceux-ci sont attirés par l'aimant car ils deviennent de petits aimants à leur tour, en s'attirant les uns les autres, par l'orientation de leurs moments magnétiques dans la même direction. Lorsque l'aimant est retiré, certains trombones restent encore attirés entre eux car les moments magnétiques sont encore alignés (phénomène dit de rémanence). L'agitation thermique fait qu'à terme, les moments magnétiques reprendront des directions aléatoires ce qui rendra le matériau non aimanté (mais celui-ci restera toujours aimantable). Un aimant ne perd pas l'orientation de ses moments magnétiques car sa structure cristalline l'en empêche (tant que le champ extérieur est raisonnable ou que la température ne dépasse pas celle de Curie). L'allotrope gamma du fer est paramagnétique (cas de l'acier inox austénitique) ce qui signifie que ce morceau de fer sera peu/pas attiré par un aimant, du fait de sa difficulté à aligner ses moments dipolaires suivant le champ extérieur.

Antiferromagnétisme[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Antiferromagnétisme.

Lorsque 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 grande distance car chaque aimant élémentaire est compensé par son voisin.

Ferrimagnétisme[modifier | modifier le code]

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[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Domaine de Weiss.

Lorsqu'un matériau est ferromagnétique ou ferrimagnétique, il est divisé en domaines, appelés domaines de Weiss, à l'intérieur duquel l'orientation magnétique est identique. Ce domaine se comporte alors comme un aimant. Ces domaines sont séparés par des parois dites parois de Bloch.

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

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. « Biographie de Mesmer », sur medarus.org,‎ (consulté le 11 mai 2015)
  2. [vidéo] Expérience d'Oersted Sur le site ampere.cnrs.fr
  3. « Oeuvre de Maxwell », sur www.cnrs.fr,‎ (consulté le 10 mai 2015)
  4. « Description de l'interaction d'échange », sur www.g2elab.grenoble-inp.fr (consulté le 20 mai 2015)
  5. « Histoire de l'Imagerie par Résonance Magnétique », sur www.rim-radiologie.fr,‎ (consulté le 5 mai 2015)
  6. « Supraconducteurs à haute température critique », sur www.toulouse.lncmi.cnrs.fr (consulté le 1 mai 2015)
  7. Serge Ètienne, Laurent David, Émilie Gaudry, Philippe Lagrange, Julian Ledieu et Jean Steinmetz, « Les matériaux de A à Z - 400 entrées et des exemples pour comprendre », Dunod, 2008

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Chris Rees, Magnets and Magnetism: A Brief History, Polaris Magnets, 8 janvier 2015.
  • Nancy Forbes, Faraday, Maxwell, and the Electromagnetic Field: How Two Men Revolutionized Physics, Prometheus Books, 11 mars 2014.
  • Gerrit L. Verschuur, Hidden Attraction: The History and Mystery of Magnetism, New Ed, 3 octobre 1996.
  • Paul Fleury Mottelay, Bibliographical History of Electricity and Magnetism, General Books, 13 janvier 2010.
  • Etienne Du Tremolet De Lacheisserie, Magnétisme I, EDP Sciences, 2001.
  • Jean Daujat, Origines et formation de la théorie des phénomènes électriques et magnétiques, Hermann, 1945, 530 p.
  • Charles Kittel (trad. Nathalie Bardou, Évelyne Kolb), Physique de l’état solide [« Solid state physics »],‎ [détail des éditions]
  • Laurent Patrick Lévy, Magnétisme et Supraconductivité (EDP Sciences)
  • Lev Landau et Evguéni Lifchitz, Physique théorique, tome 8 : Électrodynamique des milieux continus [détail des éditions]
  • Neil W. Ashcroft, N. David Mermin, Physique des solides [détail des éditions]
  • Jean-Paul Poirier et Jean-Louis Le Mouël, de l'Institut de physique du globe de Paris , Une brève histoire du magnétisme, Belin, 2013, 176 p. (ISBN 978-2-7011-7532-4)

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]