Ferromagnétisme - Définition

Introduction

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.

Susceptibilité magnétique et champ magnétique

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

,

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).

Représentation très schématique de l'évolution des domaines de Weiss avec un champ magnétique extérieur croissant

Courbe de première aimantation

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 :

,

connue sous le nom de loi de Rayleigh, où χ H et ξ |H|²décrivent respectivement les variations réversible et irreversible de l'aimantation.

Influence de la température

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,

.

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

Corps ferromagnétiques

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.