Magnétisme - Définition et Explications

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...) d'attirance qu'il y a entre deux personnes amoureuses, la force qui attire le public vers une oeuvre, etc.

La définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la...) 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...) de la chose et donc, moins générale.

Le magnétisme (Le magnétisme est un phénomène physique, par lequel se manifestent des forces...) est produit par les charges électriques en mouvement. On distingue:

• le magnétisme produit par des courants développé dans magnétostatique (La magnétostatique est l’étude du magnétisme dans les situations où le...)
• le magnétisme dans la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) 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 (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge...), l'aiguille d'une boussole (Une boussole est un instrument de navigation constitué d’une aiguille...) dévie.

Le déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) de charges électriques crée un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...).

Caractéristiques du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique

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...) : choisi selon le sens sud-nord de l'aiguille aimantée.
• norme (Une norme, du latin norma (« équerre, règle ») désigne un...) : 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...) 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...), mercure, plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et...), presque tous les composés organiques…)

Les substances qui sont comparables au fer sont dites ferromagnétiques (fer, cobalt (Le Cobalt est un élément chimique, de symbole Co et de numéro atomique 27 et de...), 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...) 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...) 68% fer 32% de nickel).

Description macroscopique

Un solénoïde (enroulement cylindrique) parcouru par un courant d'intensité crée un champ magnétique noté . Si, à l'intérieur de ce solénoïde on place un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...), on constate une modification du module du vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet...) champ magnétique que l'on notera maintenant .

Remarque : Dans certains ouvrages anciens ou certains livres techniques est appelé vecteur induction magnétique

Excitation magnétique

On pose : , avec  : perméabilité du vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.), et , aimantation

Perméabilité et susceptibilité magnétiques

La présence du matériau modifie le champ magnétique. On pose :

• avec  : perméabilité magnétique du matériau
  

On définit par le vecteur aimantation acquise par la matière

• avec  : susceptibilité magnétique du matériau
  
  • d'où :

On pose aussi :

• avec : perméabilité relative du matériau.

Classification des effets magnétiques

• Diamagnétisme (Le diamagnétisme est l'un des comportements de la matière lorsqu'elle est soumise à un champ...) : matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) pour lesquels est négatif mais toujours extrêmement faible : de l'ordre de 10^{- 5}
• Paramagnétisme (Le paramagnétisme est la tendance des dipôles magnétiques atomiques à s'aligner avec un champ...) : matériaux pour lesquels est positif mais toujours très faible : de l'ordre de 10^{- 3}
• Ferromagnétisme (Le ferromagnétisme est la propriété qu'ont certains corps de s'aimanter très fortement sous...) et ferrimagnétisme (Magnétisme lié à la propriété de certains matériaux d'aligner tous leur spin dans un domaine...) : matériaux pour lesquels est positif et très grand : il peut atteindre 10 ⁵ ! En électrotechnique (Étymologiquement l'électrotechnique désigne l'étude des applications techniques de...) 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...) 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 (Une thèse (du nom grec thesis, se traduisant par « action de poser ») est...) de Doctorat (Le doctorat (du latin doctorem, de doctum, supin de docere, enseigner) est généralement...), J. H. van Leeuwen prouva qu'il était impossible d'expliquer le magnétisme uniquement à l'aide de l'électrodynamique (L'électrodynamique est la discipline physique qui étudie et traite des actions dynamiques entre...) de Maxwell et de la mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon....) 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...) du mouvement électronique une vitesse angulaire (En physique, et plus spécifiquement en mécanique, la vitesse angulaire ω, aussi appelée...) de rotation autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) de la direction du champ magnétique appliqué : phénomène classique d'induction. Ce moment magnétique (En magnétostatique, soit une distribution de courants permanents à support compact de volume V.) 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...) 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 des courants induits qui s'opposent à toute variation de champ magnétique. Cette propriété est utilisée pour produire la lévitation (La lévitation est le fait, pour un être ou un objet, de se déplacer ou de rester en...) 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...) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) et dépend fortement de la température : (loi de Curie : )

Ce phénomène est lié à l'existence du spin de l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...).

• Pour les atomes : Un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) 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 ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à...). 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...) (Lanthanides dans la classifiation périodique) sont également ferromagnétiques à basse température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...).
En ce qui concerne les alliages, la situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un...) 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 (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des...) 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...) de Magnésie, en Asie (L'Asie est un des cinq continents ou une partie des supercontinents Eurasie ou Afro-Eurasie de la...) Mineure.

Courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du...) de première aimantation

Cycles d'hystéresis

Lorsque l'on a magnétisé un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou...) 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 (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des...) 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 (Soit une grandeur cause notée C produisant une grandeur effet notée E. On dit qu'il y a...)

• 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 (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) 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....), 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...) de fer agglomérée dans un isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes....).

Matériaux magnétiques doux

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 (Le molybdène est un élément chimique, de symbole Mo et de numéro atomique 42.), ...) : H_c = 0,16 A.m^{- 1} ; B_r = 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...), 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), 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...) (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 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...). 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...) se hérisse de pointes).

Origine microscopique du ferromagnétisme

La théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) 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...) 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 (Le gadolinium est un élément chimique, de symbole Gd et de numéro atomique 64.). 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 (Le manganèse est un élément chimique, de symbole Mn et de numéro atomique 25.) ou l'hématite (L’hématite, est une espèce minérale composée d’oxyde de fer(III)...), 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...) 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...) 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...) 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...) 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...)

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)