Ferromagnétisme

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 extérieur. Cette propriété résulte du couplage collectif des spins entre centres métalliques d'un matériau ou d'un complexe de métaux de transition, les moments de tous les spins étant orientés de la même façon au sein d'un même domaine de Weiss.

Un matériau ferromagnétique plongé dans un champ magnétique génère un nouveau champ magnétique au sein de celui-ci. Ce phénomène est plus communément appelé aimantation.

Le champ généré par l'aimantation s'ajoute au champ initial, et c'est la somme des deux qui est observée. Dans un tel cas, le terme de champ magnétique désigne le champ total, et le champ initial prend le nom d'excitation magnétique.

En d'autres termes, on est parfois amené à distinguer le champ initial, l'excitation magnétique, notée H, du champ total, noté B, reliés l'un à l'autre par :

avec μ la perméabilité magnétique du vide et M l'aimantation du milieu.

Pour un matériau ferromagnétique, la susceptibilité magnétique χ, donnée par la formule

$\chi ={\lim }_{\mathbf{B}\to 0}\frac{\partial \mathbf{M}}{\partial \mathbf{H}}$,

est très élevée.

L'aimantation est une fonction dépendant de nombreux paramètres, comme la température, le champ magnétique, et même des champs magnétiques appliqués précédemment (cycle d'hystérésis, voir ci-dessous).

D'une manière générale, quand la température augmente, les moments magnétiques deviennent de moins en moins liés au réseau cristallin et s'orientent plus facilement sous l'effet d'un champ extérieur. La susceptibilité magnétique augmente ainsi rapidement à l'approche de la température de Curie, notée T. Elle atteint sa plus grande valeur à T, puis s'annule brutalement: c'est le pic d'Hopkinson ou effet Hopkinson, signe d'une transition de phase du second ordre.

Au-delà de sa température de Curie, le matériau (re)devient paramagnétique et l'aimantation spontanée est nulle. Sa susceptibilité suit alors la loi de Curie-Weiss,

$\chi =\frac{C_m}{T-T_{\mathrm{C}}}$.

À T = T, la susceptibilité tend vers l'infini, ce qui est conforme à l'expérience.

Lorsqu'un corps est aimanté pour la première fois, son aimantation croît selon sa courbe de première saturation jusqu'à sa valeur de saturation.

Pour les faibles valeurs de l'aimantation M la courbe d'aimantation suit une fonction de la forme :

$\mathbf{M}=\chi \mathbf{H}+\xi |{\mathbf{H}}^2|$,

connue sous le nom de loi de Rayleigh, où χ H et ξ |H|décrivent respectivement les variations réversible et irreversible de l'aimantation.

• 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 B appelé champ rémanent. 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 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 100A·m. Ils possèdent une grande perméabilité. Quelques exemples :

• SuperMalloy (fer, nickel, molybdène, etc.) : H = 0.16A.m, B = 1,2 T (l'un des plus doux).
• Fer + 3 % de Silicium, grains orientés : H = 8A·m, B = 1,0 T.
• Certains alliages métalliques amorphes à base de fer.

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. 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). Pour annuler (en fait inverser) l'aimantation, il est nécessaire de fournir une excitation magnétique que l'on appelle excitation de désaimantation irréversible, notée H.

L'application des propriétés de ces matériaux est la réalisation d'aimants permanents de très forte puissance.

Pour l'usage industriel, seul le fer, le cobalt et le nickel sont ferromagnétiques. Certaines terres rares (Lanthanides dans la classification 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 le sont pas alors que l'alliage d'Heusler, 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 de Magnésie, en Asie Mineure.