Magnétisme - Définition et Explications

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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...) 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...) 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...) 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...) 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...), 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 des ferromagnétiques intéressants. Certaines terres rares (Les terres rares sont un groupe de métaux aux propriétés voisines comprenant le...) (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...).

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 sont pas ferromagnétiques, 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) où 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 (La magnétite est une espèce minérale composée d'oxyde de fer(II,III),...) Fe3O4 (FeO ; Fe2O3).

Courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du...) 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...) de matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) 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 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...) 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 (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « 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 ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à...), 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

Cycle matériaux doux.jpg

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 (Le molybdène est un élément chimique, de symbole Mo et de numéro atomique 42.)...) : 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).

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...) (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...). 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 (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) 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 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...) de 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 (Magnétisme lié à la propriété de certains matériaux d'aligner tous leur spin dans un domaine...)

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...) 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 ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) de ces parois est responsable des phénomènes d'hystérésis.
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