Susceptibilité magnétique

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Susceptibilité magnétique
Unités SI sans unité
Dimension Voir et modifier les données sur Wikidata
Nature Grandeur tensorielle intensive
Symbole usuel χ
Lien à d'autres grandeurs

La susceptibilité magnétique (notée χm et de grandeur adimensionnelle) est la faculté d'un matériau à s'aimanter sous l'effet d'une excitation magnétique. [1],[2],[3]


Définition[modifier | modifier le code]

Dans le cas général, on définit la susceptibilité magnétique par[4] :

où :

χm est la susceptibilité magnétique (sans dimension),
M est l'aimantation en ampères par mètre (A/m),
H est l'excitation magnétique appliquée, également en ampères par mètre (A/m).

Avec un développement limité d'ordre 1, on obtient une première approximation plus couramment utilisée. L'aimantation M est proportionnelle à l'excitation magnétique appliquée H. La susceptibilité magnétique χm du milieu ou du matériau considéré est le coefficient de proportionnalité :

On peut alors relier la susceptibilité magnétique à la perméabilité relative par[4] :

Description microscopique et influence de la température[modifier | modifier le code]

La susceptibilité magnétique χm permet de donner une indication sur le comportement magnétique du corps étudié.

La susceptibilité magnétique est généralement très sensible à la température.

Corps diamagnétiques[modifier | modifier le code]

Dans un corps diamagnétique au repos, les moments magnétiques ont des directions aléatoires qui se compensent : il n'y a pas d'aimantation. En présence d'un champ magnétique externe, un effet quantique — assimilable à une induction électromagnétique — induit une aimantation de sens opposé à ce champ magnétique externe, ce qui correspond à une susceptibilité magnétique négative. Cet effet se produit dans tous les matériaux, mais dans les matériaux autres que diamagnétiques il est camouflé par les autres effets, d'intensité beaucoup plus grande (paramagnétisme, ferromagnétismeetc.)

La susceptibilité magnétique des corps diamagnétiques dépend très peu de la température.

Corps paramagnétiques[modifier | modifier le code]

Représentation des moments magnétiques dans un corps paramagnétique; en absence ou présence d'un champ magnétique externe.

Dans un corps paramagnétique au repos, les moments magnétiques ont des directions aléatoires qui se compensent : il n'y a pas d'aimantation. En appliquant une excitation externe, ils vont s'aligner avec celle-ci. Il faudra cependant un champ externe plus intense que dans le cas d'un corps ferromagnétique car il faut suffisamment d'énergie pour forcer les moments magnétiques à s'aligner et à rester dans la même direction.

Tout comme dans les corps ferromagnétiques, une agitation thermique trop importante empêche les moments magnétiques de s'aligner avec l'excitation externe. Un corps paramagnétique obéit à une loi de Curie : la susceptibilité magnétique est proportionnel à l'inverse de la température.[6]

Corps ferromagnétiques[modifier | modifier le code]

Représentation des moments magnétiques dans un corps ferromagnétique.

Dans un corps ferromagnétique au repos, les moments magnétiques des atomes sont tous alignés dans une direction quelconque (ce qui entraîne une aimantation spontanée). Ils interagissent les uns les autres de façon à conserver cette orientation. En appliquant une excitation magnétique externe, les moments magnétiques vont pivoter pour suivre la direction de l'excitation.

En chauffant un corps ferromagnétique, l'ordre qui régnait dans les moments magnétiques est perturbé : l'agitation thermique empêche les moments de s'aligner (que ce soit spontanément ou avec l'excitation externe), ce qui diminue la susceptibilité magnétique. À partir d'une certaine température (température de Curie), les moments magnétiques sont tellement agités qu'il n'y a plus de direction préférentielle donc plus d'aimantation : le corps acquiert un comportement paramagnétique. Le corps suit alors une loi de Curie : la susceptibilité est proportionnel à l'inverse de la température.[7]

Corps ferrimagnétiques ou antiferromagnétiques[modifier | modifier le code]

Représentation des moments magnétiques dans un corps ferrimagnétique.
Représentation des moments magnétiques dans un corps antiferromagnétique.

La susceptibilité des corps ferrimagnétique et antiferromagnétique est généralement plus faible que celle des corps paramagnétiques. En effet, en plus d'imposer une direction, l'excitation externe doit être suffisante pour briser l'ordre antiparallèle des moments magnétiques.


Bien que sa susceptibilité magnétique initiale soit bien inférieure, un corps ferrimagnétique se comporte de manière semblable à un corps ferromagnétique. En le chauffant, l'ordre qui régnait dans les moments magnétiques est perturbé : l'agitation thermique empêche les moments de s'aligner (que ce soit spontanément ou avec l'excitation externe), ce qui diminue la susceptibilité magnétique. À partir d'une certaine température (température de Curie), les moments magnétiques sont tellement agités qu'il n'y a plus de direction préférentielle donc plus d'aimantation : le corps acquiert un comportement paramagnétique. Le corps suit alors une loi de Curie : la susceptibilité est proportionnel à l'inverse de la température.[8]

Un corps antiferromagnétique réagit à la température en deux temps. Une augmentation de l'agitation thermique aide à briser l'ordre antiparallèle, ce qui augmente la susceptibilité magnétique. Elle continue d'augmenter jusqu'à atteindre la température de Néel (équivalent de la température de Curie). Quand cette température critique est atteinte, les moments magnétiques sont complètement désordonnés, le corps devient paramagnétique. Au-delà de la température de Néel, la susceptibilité magnétique vas se mettre à diminuer en suivant la relation suivante :

Mesure de la susceptibilité magnétique[modifier | modifier le code]

Avec un magnétomètre[modifier | modifier le code]

Cette technique se base sur l'équation suivante :

On applique sur un échantillon à étudier une excitation externe connue , et on mesure l'aimantation à l'aide du magnétomètre. On en déduit alors la susceptibilité magnétique χm. Cette relation n'est plus valable si H est trop grand : l'aimantation M du matériau va saturer et devenir constante.

Avec une balance de Gouy[modifier | modifier le code]

Avec une balance de Faraday[modifier | modifier le code]

Exemples de matériaux[modifier | modifier le code]

Susceptibilité magnétique de quelques matériaux
Matériau χm Tc
Bi -16,9×10-5
C -2,1×10-5
eau -1,2×10-5
Cu -1,0×10-5
vide 0
O2 0,19×10-5
Al 2,2×10-5
Co 70 1 131 °C
Ni 110 372 °C
Fe 200000 774 °C

Références[modifier | modifier le code]

  1. Coey, J. M. D.,, Magnetism and magnetic materials, Cambridge University Press, (ISBN 9780511685156, 0511685157 et 9780521816144, OCLC 664016090, lire en ligne)
  2. Buschow, K. H. J., Physics of magnetism and magnetic materials, Kluwer Academic/Plenum Publishers, (ISBN 0306484080 et 9780306484087, OCLC 55080949, lire en ligne)
  3. Blundell, Stephen., Magnetism in condensed matter, Oxford University Press, (ISBN 0198505922, 9780198505921 et 0198505914, OCLC 47243972, lire en ligne)
  4. a et b Étienne Du Trémolet de Lacheisserie, Magnétisme, 495 p. (ISBN 2-86883-463-9, lire en ligne), p. 49
  5. De Étienne Du Trémolet de Lacheisserie, Magnétisme, 495 p. (ISBN 2-86883-463-9, lire en ligne), p. 91
  6. De Étienne Du Trémolet de Lacheisserie, Magnétisme, 495 p. (ISBN 2-86883-463-9, lire en ligne), p. 97
  7. De Étienne Du Trémolet de Lacheisserie, Magnétisme, 495 p. (ISBN 2-86883-463-9, lire en ligne), p. 97
  8. De Étienne Du Trémolet de Lacheisserie, Magnétisme, 495 p. (ISBN 2-86883-463-9, lire en ligne), p. 97

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]