Ferromagnétisme - Définition et Explications

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Le ferromagnétisme 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 (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) extérieur. Cette propriété résulte du couplage collectif des spins entre centres métalliques d'un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) ou d'un complexe de métaux de transition, les moments de tous les spins étant orientés de la même façon au sein de la substance. Voir l'article Magnétisme : Magnétisme dans la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...).

La susceptibilité magnétique \chi = \lim_{\mathbf{B} \to 0} \frac {d \mathbf{M}}{d\mathbf{H}}\, est alors très élevée.
\mathbf{M} \, : Aimantation du matériau
\mathbf{H} \, : Excitation magnétique

Influence de la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...)

Quand la température augmente, les moments magnétiques deviennent de moins en moins ordonnés, diminuant ainsi la susceptibilité magnétique jusqu'à la température de Curie.

La susceptibilité des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) ferromagnétiques varie avec la température selon une loi de la forme :

\chi = \frac {C_m}{T}\, (loi de Curie)

C_m\, est la constante de Curie et T \, la température ; au delà de cette température le matériau devient paramagnétique et l'aimantation est quasi nulle.

Corps ferromagnétiques

Pour l'usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) industriel, seul le fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le...), le cobalt (Le Cobalt est un élément chimique, de symbole Co et de numéro atomique 27 et de...) et le nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.) sont ferromagnétiques. Certaines terres rares (Les terres rares sont un groupe de métaux aux propriétés voisines comprenant le...) (Lanthanides dans la classification 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...) est très complexe : Certains alliages de fer et de nickel ne le sont pas alors que l'alliage (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments...) 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'hystérésis (Soit une grandeur cause notée C produisant une grandeur effet notée E. On dit qu'il y a...)

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

  • Lorsque H est ramené à 0, il subsiste un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...) 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.

Matériaux magnétiques doux

Ce sont en général des matériaux doux mécaniquement. Ces matériaux ont des cycles très étroits : l'excitation coercitive ne dépasse 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.), etc.) : 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...), 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 (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...).

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 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 puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :).

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