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Magnétisme

On distingue plusieurs types de magnétisme selon que l'on s'attarde sur celui évoqué dans les sciences ou le magnétisme en général. Le magnétisme en général est celui qui génère des forces quelles qu'elles soient, laissant supposer une attirance entre plusieurs objets. On peut prendre comme exemples la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale »...) d'attirance qu'il y a entre deux personnes amoureuses, la force qui attire le public vers une oeuvre, etc.

La définition qui suit est la version scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) de la chose et donc, moins générale.

Le magnétisme est produit par les charges électriques en mouvement. On distingue:

  • le magnétisme produit par des courants développé dans magnétostatique
  • le magnétisme dans la matière ou différentes sortes d'aimantation développé ci dessous.

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 (Une boussole est un instrument de navigation constitué d’une aiguille magnétisée qui s’aligne sur le champ magnétique de la Terre. Elle indique ainsi le nord magnétique, à ne...) dévie.

Le déplacement de charges électriques crée un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique.

Caractéristiques du champ magnétique \vec B

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

  • direction : celle de l'aiguille aimantée qui le détecte.
  • sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une...) : choisi selon le sens sud-nord de l'aiguille aimantée.
  • norme (Une norme, du latin norma (« équerre, règle ») désigne un état habituellement répandu ou moyen considéré le plus...) : unité SI, le tesla (T).

Magnétisme dans la matière

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

  • certains sont attirés vers les régions de champ intense en s'orientant parallèlement aux lignes de champ comme le ferait un barreau de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous...) 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 (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses surfaces...), mercure, plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et de numéro atomique 82. Le mot et le symbole viennent du latin plumbum.), presque tous les composés organiques…)

Les substances qui sont comparables au fer sont dites ferromagnétiques (fer, cobalt, nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.) et un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de leurs alliages en particulier les aciers) et certain de leurs composés ainsi que certaines combinaisons d'éléments non ferromagnétiques.

Les substances qui subissent des actions de même nature que le fer mais beaucoup moins intenses sont dites paramagnétiques (aluminium, chrome (Le chrome est un élément chimique de symbole Cr et de numéro atomique 24.), platine… et certains composés d'éléments ferromagnétiques par exemple l'alliage (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments chimiques.) 68% fer 32% de nickel).

Description macroscopique

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 (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet d'effectuer des opérations d'addition et de multiplication par un scalaire....) 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

Excitation magnétique

On pose : \vec H = \frac{\vec B_0}{ \mu_0} - \vec M, avec \mu_0 \, : perméabilité du vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.), 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

  • \vec M = \chi . \vec H avec \chi \, : 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 très faible : de l'ordre de 10- 3
  • Ferromagnétisme et ferrimagnétisme : matériaux pour lesquels \chi \, est positif et très grand : il peut atteindre 10 5 ! En électrotechnique seuls ces matériaux sont importants car ils 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 (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage dépend de la lumière qu’il...) électronique est responsable de l'existence d'un magnétisme dit orbital, alors que la rotation sur eux-mêmes est responsable du magnétisme de spin. Il n'est pas possible d'ignorer l'aspect quantique de ces phénomènes : en 1919, dans sa thèse de Doctorat (Le doctorat (du latin doctorem, de doctum, supin de docere, enseigner) est généralement le grade universitaire le plus élevé. Le titulaire de ce...), 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 (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat de l'application...) classique.

Origine du diamagnétisme

L'effet d'un champ magnétique est de donner à l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être...) du mouvement électronique une vitesse angulaire (En physique, et plus spécifiquement en mécanique, la vitesse angulaire ω, aussi appelée fréquence angulaire, est une mesure de la vitesse de rotation.) de rotation autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis,...) 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 donc un phénomène tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) à fait 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 (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en...) 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

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 (L’agitation est l'opération qui consiste à mélanger une phase ou plusieurs pour rendre une ou plusieurs de ces caractéristiques homogènes. Plusieurs types...) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents phénomènes physiques, en particulier...) 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 (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est...) dont les couches électroniques sont totalement remplies ne possède pas de moment magnétique. Lorsque les couches sont incomplètes, il y a toujours un déséquilibre qui produit un moment magnétique de spin.
  • Pour les solides cela peut être très 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 donc 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

C'est la propriété qu'ont certains corps de s'aimanter très 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.

Corps ferromagnétiques

Pour l'usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) industriel, seul le fer, le cobalt et le nickel sont ferromagnétiques. Certaines terres rares (Les terres rares sont un groupe de métaux aux propriétés voisines comprenant le scandium 21Sc, l'yttrium 39Y et les quinze lanthanides.) (Lanthanides dans la classifiation périodique) sont également ferromagnétiques à basse température.
En ce qui concerne les alliages, la situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou non. Il inscrit un lieu dans un cadre plus...) est très complexe : Certains alliages de fer et de nickel ne le sont pas alors que l'alliage d'Heussler, 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) ou M est un métal divalent et dont le représentant le plus ancien est la magnétite Fe3O4 (FeO ; Fe2O3) du nom de la ville (Une ville est une unité urbaine (un « établissement humain » pour l'ONU) étendue et fortement peuplée (dont les...) de Magnésie, en Asie (L'Asie est un des cinq continents ou une partie des supercontinents Eurasie ou Afro-Eurasie de la Terre. Il est le plus grand continent (8,6 % de la surface totale terrestre ou 29,4 % des terres émergées)...) Mineure.

Courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les lignes polygonales et les cercles sont des courbes.) de première aimantation

Cycles d'hystéresis

Lorsque l'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

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 (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse totale.), au nickel ou au cobalt conviennent parfaitement. on réalise aussi des aimants avec de la poudre (La poudre est un état fractionné de la matière. Il s'agit d'un solide présent sous forme de petits morceaux, en général de taille inférieure au dixième de millimètre...) de fer agglomérée dans un isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques,...).

Matériaux magnétiques doux
Légende

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

Quelques exemples :

  • SuperMalloy (Fer, Nickel, Molybdène, ...) : Hc = 0,16 A.m- 1 ; Br = 1,2 T (l'un des plus doux).
  • Fer + 3 % de Silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.), 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), car ce phénomène d'hystérésis est responsable de pertes d'énergie.

Matériaux magnétiques durs

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 (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable selon le "Diplôme d'études...) (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 puisssance.

Les ferrofluides sont des suspensions de particules aimantées de taille micronique dans un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.). Ces liquides réagissent à un champ magnétique extérieur (par exemple, leur surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et...) se hérisse de pointes).

Origine microscopique du ferromagnétisme

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 (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. La théorie...) peut être assimilé à un petit aimant), il se produit un couplage entre ces derniers.

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.

Antiferromagnétisme

Lorsque les atomes sont plus proches les uns des autres, comme c'est le cas pour le Chrome, le 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 (Un aimant est un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, c’est-à-dire dont le champ rémanent et l'excitation coercitive sont grands (voir ci-dessous). Cela lui donne des...) élémentaire est compensé par son voisin.

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

Lorsqu'un matériau est ferro (El Hierro, également connue sous le nom d'île de Fer ou Ferro, est la plus petite et la plus occidentales des îles Canaries. Elle est connue en Espagne pour les lézards...) ou ferrimagnétique, il est divisé en domaines, appelés domaines de Weiss, à l'intérieur duquel l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) 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 (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son...) du matériau sont très faibles (quelques nm). Ces matériaux sont dits nanocristallins.
  • Le déplacement de ces parois est responsable des phénomènes d'hystérésis.

Autres usages

Informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport avec le traitement automatique de...)

Dans le domaine des interfaces graphiques, le magnétisme est la faculté d'un élément graphique à se « coller » à un autre lorsque la distance les séparant (généralement calculée en pixels) est suffisamment réduite. Ceci aide à harmoniser l'apparence, par exemple en permettant beaucoup plus facilement des alignements d'objets.

Pair-à-pair

(À faire, à partir de trafficmagnet)

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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