Magnétisme - Définition

Caractéristiques du vecteur d'induction (densité de flux) du champ magnétique

Il règne un champ magnétique lorsque 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).

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

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 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, 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) 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

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.

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, 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

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 :

• 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 facilement être annulée) ou des circuits magnétiques fonctionnant en régime alternatif (machines électriques, transformateurs).

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 (l'excitation vaut alors H_cB). Pour annuler (en fait inverser) l'aimantation, il est nécessaire de fournir une excitation magnétique que l'on appelle 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 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

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, 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

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 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.