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Le magnétisme représente un ensemble de phénomènes physiques dans lesquels les objets exercent des forces attractives ou répulsives sur d'autres matériaux. Les courants électriques et les moments magnétiques des particules élémentaires fondamentales sont à l’origine du champ magnétique qui engendre ces forces. Tous les matériaux sont influencés, de manière plus ou moins complexe, par la présence d'un champ magnétique, et l’état magnétique d'un matériau dépend de sa température (et d'autres variables telles que la pression et le champ magnétique extérieur) de sorte qu'un matériau peut présenter différents formes de magnétisme selon sa température.

Les aimants permanents possèdent des moments magnétiques permanents à l’origine du ferromagnétisme. Cependant, la plupart des matériaux ne possèdent pas de moments permanents. Parmi ces derniers, certains sont attirés par la présence d’un champ magnétique (paramagnétisme); d'autres sont au contraire repoussés par celui-ci (diamagnétisme); d'autres encore ont une relation beaucoup plus complexe avec un champ magnétique appliqué ( antiferromagnétisme).

Les substances qui sont affectées de façon négligeable par les champs magnétiques sont considérées comme étant des substances non magnétiques. L'oxygène pur présente des propriétés magnétiques lorsqu'il est refroidi à l'état liquide.

Afin de faire une première approche de la notion de magnétisme et d'en acquérir les bases, voici une liste de l'ensemble des grandeurs utilisées pour traiter de cette notion dans sa totalité : champ magnétique, induction magnétique, aimantation, moment magnétique, susceptibilité magnétique, perméabilité magnétique, Cycle d’hystérésis.

Histoire

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, la découverte de ce phénomène reste encore à ce jour un mystère.

De l'Antiquité au XVIIème siècle : La genèse du Magnétisme

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 il fut démontré au XXème siècle que ces faits n'étaient pas véritablement fondés. Selon d’autres, 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

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.

Ces travaux inspirèrent le médecin viennois Franz Mesmer 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.

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. Un essai mené au CNRS permet une meilleure visualisation et compréhension de cette expérience . 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 ou les bobines. 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 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

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 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.

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) 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. En 1986, Johannes Georg Bednorz et Karl Müller, découvrent des supraconducteurs à haute température critique (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.

Aimants naturels et permanents

Ferromagnétisme

Les matériaux ferromagnétiques sont des corps qui ont la capacité de s'aimanter sous l'effet d'un champ magnétique extérieur et de garder cette aimantation. Ils se distinguent des paramagnétiques qui ne conservent pas leur aimantation à champ nul. Il en existe deux sous catégories, à savoir les ferromagnétiques durs (qui sont utilisés pour fabriquer des aimants permanents) et les ferromagnétiques doux. Ces matériaux sont communément utilisés dans le monde de l'industrie, ainsi que dans la vie quotidienne. L'usage le plus commun est le "magnet" qui est un aimant permanent (un ferromagnétique dur) que l'on collectionne sur son réfrigérateur. L'aimantation rémanente est due à un ordre à l'échelle microscopique (définit par l'interaction d'échange d'Heisenberg) et par un ordre à l'échelle du matériau (paroi de Bloch, domaine de Weiss).

En effet, 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.

Les anisotropies magnétiques expliquent les axes de facile d'aimantation.

Cycle d'hystérésis

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 B_r 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 H_c appelée excitation coercitive.

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.

Ferromagnétique doux

Les matériaux ferromagnétiques doux forment un sous groupe des matériaux ferromagnétiques, ce qui signifie qu’ils sont capables de s'aimanter lorsqu'ils sont soumis à un champ magnétique extérieur. La particularité des matériaux ferromagnétiques doux est que l'action de créer ou d’annuler l’aimantation dans le matériau nécessite moins d'énergie que pour les matériaux ferromagnétiques durs. Les ferromagnétiques doux sont utilisés dans les transformateurs, les électro-aimants ou dans toute application dans laquelle le matériau travaille à haute fréquence. Ils possèdent un champ coercitif très faible avec une très forte susceptibilité. C'est cette forte susceptibilité qui permet d'obtenir une forte induction à partir d'un faible champ extérieur et ainsi être utile dans les électro-aimants ou à la canalisation des lignes de champs. Un faible champ coercitif et une forte susceptibilité entrainent l'étroitesse du cycle d’hystérésis. L'aire de ce cycle représente l'énergie dissipée sous forme de chaleur lors d'un parcours complet du cycle, appelée "pertes magnétiques".

Ferromagnétique dur

A l'inverse des ferromagnétiques doux, les ferromagnétiques durs ont un champ coercitif et une rémanence élevés.

Les matériaux ferromagnétiques durs forment un sous groupe des matériaux ferromagnétiques. Ils possèdent une aimantation naturelle présente en absence de champ magnétique extérieur. Comme pour les autres matériaux ferromagnétiques, les ferromagnétiques durs ont la particularité de s’aimanter fortement en présence d’un champ magnétique extérieur. On distingue les ferromagnétiques durs des ferromagnétiques doux par leurs propriétés magnétiques, telles que la forme de leur cycle d’hystérésis. Le cycle d'hystérésis des ferromagnétiques doux est fin et allongé vers le haut, alors que celui des ferromagnétiques durs est aplati et allongé sur l'axe des abscisses. Les matériaux ferromagnétiques durs sont à la base des aimants permanents, et notamment des aimants à forte puissance.

Antiferromagnétisme

L'antiferromagnétisme est une forme du magnétisme dans lequel les moments magnétiques des atomes voisins s'organisent de façon anti-parallèle. Les moments magnétiques se divisent en deux sous réseaux dont les aimantations sont égales et opposées. Cela ne se produit qu'en dessous d'une certaine température appelée température de Néel, et notée T_N (venant du scientifique l'ayant découvert) sinon, le composé est ferromagnétique. Au-dessus de cette température, le composé est paramagnétique.

Les matériaux sans ordre magnétique

Diamagnétisme

Le diamagnétisme est un comportement des matériaux qui les conduit, lorsqu'ils sont soumis à un champ magnétique, à générer un autre champ magnétique opposé, créé par une très faible aimantation. Lorsque le champ n’est plus appliqué, l’aimantation disparaît. Le diamagnétisme est un phénomène qui apparaît dans toute la matière atomique, mais il est masqué par les effets du paramagnétisme ou du ferromagnétisme lorsque ceux-ci coexistent avec lui dans le matériau.

Paramagnétisme

Le paramagnétisme désigne en magnétisme le comportement d'un milieu matériel qui ne possède pas d'aimantation spontanée mais qui, sous l'effet d'un champ magnétique extérieur, acquiert une aimantation dirigée dans le même sens que ce champ d'excitation. Un matériau paramagnétique possède donc une susceptibilité magnétique de valeur positive (contrairement aux matériaux diamagnétiques), en général assez faible. Cette aimantation disparaît lorsque le champ d'excitation est coupé, il n'y a donc pas de phénomène d'hystérésis comme pour le ferromagnétisme.

Le paramagnétisme ne désigne pas une propriété intrinsèque d'un matériau mais un comportement en réponse à un champ magnétique, comportement qui peut changer selon les conditions considérées. Ainsi, un matériau ferromagnétique devient paramagnétique quand sa température dépasse sa température de Curie.

À l'échelle microscopique, on peut décrire un matériau paramagnétique comme un ensemble de dipôles magnétiques indépendants. La réponse du système à un champ magnétique appliqué est alors déterminée par le rapport de forces entre l'énergie magnétique d'une part qui tend à ordonner les dipôles en les alignant selon le champ appliqué, et l'énergie d'agitation thermique d'autre part qui favorise le désordre. Le traitement de ce problème par la physique statistique permet de démontrer la loi de Curie qui affirme que la susceptibilité magnétique d'un matériau paramagnétique est inversement proportionnelle à la température.

Classification des effets magnétiques

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

Type de magnétisme	Valeur	Signe	Moment magnétique des atomes	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 105	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 105	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).

Applications

On dénombre de nombreuses applications du magnétisme dans la vie de tous les jours et dans le monde de l'industrie, deux d'entre elles sont présentés dans cette partie.

Stockage de l’information

L’intérêt d’utiliser le magnétisme comme support de l’information s’est posé lorsque l’on cherchait à minimiser l’énergie nécessaire au stockage. En effet, le principe repose sur les propriétés ferromagnétiques qui permettent de garder en mémoire l’orientation d’un champ externe appliqué. Ce sont sur des petits objets magnétiques que sont inscrites les données sauvegardées sur un disque dur par exemple.

La technologie actuellement permet de stocker de plus en plus de données sur un espace réduit grâce à la miniaturisation de ces objets et à la précision de plus en plus élevée des moyens de lecture de ces informations.

Capteur de courant à effet Hall

Comme nous l’avons vu précédemment, lorsqu’un courant passe dans un conducteur, cela provoque la création d’un champ magnétique autour de ce conducteur. Cette propriété est utilisée pour mesurer des courants, avec les capteurs à effet Hall.

Le principe de l’effet Hall est simple, le courant que l’on veut mesurer va générer un champ magnétique autour du fil, et c’est ce champ magnétique que l’on va pouvoir quantifier avec le capteur, et remonter ensuite à la valeur du courant qui parcourt le fil.

Pour des composants électroniques, les capteurs à effet Hall ne sont pas cher. On puisse les retrouver dans les smartphones ou les ordinateurs portables. Ce sont eux qui permettent de mettre en veille votre appareil quand que l'on replie l'écran d'un ordinateur portable.

Bibliographie

• 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 »], 1998 [détail des éditions]
• Laurent Patrick Lévy, Magnétisme et Supraconductivité (EDP Sciences)
• Lev Landau et Evgueni Lifchits, Physique théorique, t. 8 : Électrodynamique des milieux continus [détail des éditions]
• Neil W. Ashcroft et 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)
• Cedric Feretti, Adrien Gausseran, Yacine Rezgui et Steven Siddi, "Le stockage magnétique" http://users.polytech.unice.fr/~rey/cours/supports/archi/projet/2011/Article_Groupe_4.pdf
• CLEFS CEA N°56 Hiver 2007-2008 http://www.cea.fr/content/download/5427/35450/file/p062_72_Dieny.pdf

Voir aussi

Articles connexes

• Champ magnétique
• Susceptibilité magnétique
• Aimantation
• Électroaimant
• Magnétisme animal

Liens externes

• Musée de sismologie et Magnétisme terrestre
• David P. Stern, "La Terre, le grand aimant"
• Magnétisme et moment magnétique - Astronoo