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Magnétisme

Introduction

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 (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique par une réaction d'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et...) et/ou de déplacement dépendante de 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...) 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.

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...) dévie.

« Le déplacement de charges électriques crée un champ magnétique. »

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 ; 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 (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...) 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 fraîches une teinte...), 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. Un n-uplet peut constituer un exemple de vecteur, à...) 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

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 (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 ce 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...) 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...), 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 d'une méthode statistique à un...) 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 comprise comme un tout », comme...) 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...) 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....) 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...) 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....) 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.
Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0. Vous pouvez soumettre une modification à cette définition sur cette page.

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