Magnétisme
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Caractéristiques du vecteur d'induction (densité de flux) du champ magnétique

Il règne un champ magnétique lorsque une aiguille aimantée prend une direction déterminée.

  • direction : celle de l'aiguille aimantée qui détecte le flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens...) magnétique du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:).
  • sens : choisi selon le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du ralentissement du...) sud-nord de l'aiguille aimantée.
  • norme : unité SI, le tesla (T).

Ferromagnétisme

C'est la propriété qu'ont certains corps de s'aimanter très fortement sous l'effet d'un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée...) extérieur, et pour certains d'entre-eux, appelés aimants (ie. les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) magnétiques durs), de garder une aimantation importante même après la disparition du champ extérieur (aimantation rémanente).

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 métal de transition et le matériau...), le cobalt et le nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.) sont des ferromagnétiques intéressants. Certaines terres rares (Les terres rares sont un groupe de métaux aux propriétés voisines comprenant le scandium 21Sc, l'yttrium 39Y et les quinze lanthanides.) (les 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 étudiée en thermométrie. Dans la vie...).

En ce qui concerne les alliages, la situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou non. Il inscrit un lieu dans un cadre plus général afin de le...) est très complexe : certains alliages de fer et de nickel ne sont pas ferromagnétiques, alors que l'alliage (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments chimiques.) 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) où M est un métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des métaux...) divalent et dont le représentant le plus ancien est la magnétite Fe3O4 (FeO ; Fe2O3).

Courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les lignes polygonales et les cercles...) de première aimantation

1ere aimantation.jpg

Cycles d'hystéresis

Lorsqu'on a magnétisé un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) de matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée...) 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 nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application définie...) 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 hystéresis lorsque la courbe E = f(C) obtenue à la croissance de C ne se superpose pas avec la...).

Lorsque H est ramené à 0, il subsiste un champ magnétique 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.

Conséquences de l'hystérésis

L'aimantation de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide,...) absorbe de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) 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 (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) 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 ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à ajouté à n donne zéro. En botanique, les organes d'une plante sont dits opposés lorsqu'ils...), 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. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la...), 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 sous forme de petits morceaux, en général de taille...) de fer agglomérée dans un isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques, les isolants phoniques et les isolants mécaniques. Le contraire...).

Matériaux magnétiques doux

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Ce sont en général des matériaux doux mécaniquement. Ces matériaux ont des cycles très étroits : l'excitation cœrcitive ne dépasse pas 100 A.m- 1. Ils possèdent une grande perméabilité.

Quelques exemples :

  • SuperMalloy (fer, nickel, molybdène...) : 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 et de numéro atomique 14.), 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).

Matériaux magnétiques durs

Cycle matériaux durs.jpg

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 fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable selon le "Diplôme d'études...) (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 :). 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 facilement déformable mais difficilement...). 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 plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) se hérisse de pointes).

Origine microscopique du ferromagnétisme

La théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou...) 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 (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....) 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. 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 chrome est un élément chimique de symbole Cr et de numéro atomique 24.), l'oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne également l'ion...) de manganèse ou l'hématite, 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 champ rémanent et l'excitation coercitive sont grands (voir ci-dessous). Cela lui donne des propriétés...) élémentaire est compensé par son voisin.

Ferrimagnétisme (Magnétisme lié à la propriété de certains matériaux d'aligner tous leur spin dans un domaine limité lorsque ce dernier est soumis à un champ magnétique externe. Le moment magnétique de chacun de ces domaines reste après la disparition...)

Il s'observe dans des matériaux comportant deux types d'atomes différents, produisant chacun des aimants élémentaires de 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 « cardinale » équivalent au courage...) 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 occidentales des îles Canaries. Elle est connue en Espagne pour les lézards géants qui y vivent.) 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 à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la...) 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 sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une pièce de révolution.) du matériau sont très faibles (quelques nm). Ces matériaux sont dits nanocristallins.
  • Le déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la...) de ces parois est responsable des phénomènes d'hystérésis.
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