Magnétisme - Définition et Explications

Introduction

Le magnétisme est un phénomène physique, par lequel se manifestent des forces attractives ou répulsives d'un objet sur un autre, ou avec des charges électriques en mouvement. Ces objets, dits magnétisables, sont susceptibles de réagir au champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction,...) par une réaction d'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 boussole) ;) et/ou de déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est...) dépendante de la 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...) et de l'orientation. Cette force s'effectue par l'intermédiaire du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique, et est produite par des charges en mouvement ou des aimants.

Expérience d'Ørsted

En 1820, le danois Hans Christian Ørsted montre qu'à proximité d'un fil rectiligne parcouru par un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un...), l'aiguille d'une boussole (Une boussole est un instrument de navigation constitué d’une aiguille magnétisée qui s’aligne sur le champ magnétique de la Terre. Elle indique ainsi le nord...) dévie.

« Le déplacement de charges électriques crée un champ magnétique. »

Magnétisme dans 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, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace...)

Faraday a montré que toute substance est aimantable mais le plus souvent l'effet n'est appréciable que dans un champ magnétique intense ; en plaçant dans un champ magnétique non uniforme des barreaux de substances différentes :

• certains sont attirés vers les régions de champ intense en s'orientant parallèlement aux lignes de champ comme le ferait un barreau de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous forme pure ou d'alliages. Le fer pur...) doux ;
• d'autres sont repoussées vers les régions où le champ magnétique est faible et s'orientent perpendiculairement aux lignes de champ ; de telles substances sont dites diamagnétiques (argent, or, cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses surfaces...), mercure, plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et de numéro atomique 82. Le mot et le symbole viennent du latin plumbum.), presque tous les composés organiques…).

Les substances qui sont comparables au fer sont dites ferromagnétiques (fer, cobalt (Le Cobalt est un élément chimique, de symbole Co et de numéro atomique 27 et de masse atomique 59.), nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.) et un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de leurs alliages en particulier les aciers) et certain de leurs composés ainsi que certaines combinaisons d'éléments non ferromagnétiques.

Les substances qui subissent des actions de même nature que le fer mais beaucoup moins intenses sont dites paramagnétiques (aluminium, chrome (Le chrome est un élément chimique de symbole Cr et de numéro atomique 24.), platine… et certains composés d'éléments ferromagnétiques par exemple l'alliage (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments chimiques.) 68% fer 32% de nickel).

Description macroscopique

Un solénoïde (enroulement cylindrique) parcouru par un courant d'intensité crée un champ magnétique noté . Si, à l'intérieur de ce solénoïde on place un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une...), on constate une modification du module du vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet d'effectuer des opérations d'addition et de multiplication par un scalaire. Un n-uplet peut constituer un exemple de vecteur, à...) champ magnétique que l'on notera maintenant .

Remarque : dans certains ouvrages anciens ou certains livres techniques est appelé vecteur induction magnétique

Excitation magnétique

On pose : , avec  : perméabilité du vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.), et , aimantation

Perméabilité et susceptibilité magnétiques

La présence du matériau modifie le champ magnétique. On pose :

• avec  : perméabilité magnétique du matériau

On définit par le vecteur aimantation acquise par la matière

• avec  : susceptibilité magnétique du matériau
  • d'où :

On pose aussi :

• avec  : perméabilité relative du matériau.

Classification des effets magnétiques

• Diamagnétisme : matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) pour lesquels est négatif mais toujours extrêmement faible, de l'ordre de 10^{- 5}
• Paramagnétisme : matériaux pour lesquels est positif mais toujours très faible, de l'ordre de 10^{- 3}
• 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,...) et ferrimagnétisme : matériaux pour lesquels est positif et très grand, il peut atteindre 10 ⁵ ! En électrotechnique (Étymologiquement l'électrotechnique désigne l'étude des applications techniques de l'électricité. En réalité, l'électrotechnique regroupe les disciplines traitant l'électricité en tant qu'énergie. On peut...) seuls ces matériaux sont importants car ce sont les seuls à produire des augmentations du champ magnétique qui sont significatives (voir ci-dessous).

Origine microscopique du magnétisme

Mouvement des électrons

Le mouvement des électrons dans le nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage dépend de la lumière qu’il...) électronique est responsable de l'existence d'un magnétisme dit orbital, alors que la rotation sur eux-mêmes est responsable du magnétisme de spin. Il n'est pas possible d'ignorer l'aspect quantique de ces phénomènes : en 1919, dans sa thèse (Une thèse (du nom grec thesis, se traduisant par « action de poser ») est l'affirmation ou la prise de position d'un locuteur, à l'égard du sujet ou du...) de Doctorat (Le doctorat (du latin doctorem, de doctum, supin de docere, enseigner) est généralement le grade universitaire le plus élevé. Le titulaire de ce grade...), J. H. van Leeuwen prouva qu'il était impossible d'expliquer le magnétisme uniquement à l'aide de l'électrodynamique (L'électrodynamique est la discipline physique qui étudie et traite des actions dynamiques entre les courants électriques.) de Maxwell et de la mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui produit ou transmet un mouvement,...) statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat de l'application d'une méthode...) classique.

Origine du diamagnétisme (Le diamagnétisme est l'un des comportements de la matière lorsqu'elle est soumise à un champ magnétique. Voir magnétisme.)

L'effet d'un champ magnétique est de donner à l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut...) du mouvement électronique une vitesse angulaire (En physique, et plus spécifiquement en mécanique, la vitesse angulaire ω, aussi appelée fréquence angulaire, est une mesure de la vitesse de...) de rotation autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit...) de la direction du champ magnétique appliqué : phénomène classique d'induction. Ce moment magnétique (En magnétostatique, soit une distribution de courants permanents à support compact de volume V.) induit est proportionnel au champ appliqué et s'oppose à ce dernier. C'est l'origine du diamagnétisme qui est donc un phénomène tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) à fait général mais qui peut être masqué par les autres phénomènes dont l'effet est plus important.

Remarque : on emploi le terme de diamagnétisme parfait pour désigner le comportement des supraconducteurs qui créent en leur sein des courants induits qui s'opposent à toute variation de champ magnétique. Cette propriété est utilisée pour produire la lévitation (La lévitation est le fait, pour un être ou un objet, de se déplacer ou de rester en suspension au-dessus du sol, sous l'effet d'une force plus forte que la gravitation, sans contact...) magnétique des supraconducteurs.

Origine du paramagnétisme (Le paramagnétisme est la tendance des dipôles magnétiques atomiques à s'aligner avec un champ magnétique externe, à cause de leur spin quantique ainsi que le moment...)

Lorsque les atomes possèdent leur propre moment magnétique permanent, le diamagnétisme (toujours présent) est masqué par le paramagnétisme. Sous l'effet d'un champ magnétique extérieur, ces atomes, petits aimants permanents, s'orientent selon le champ appliqué et l'amplifient. Ce phénomène est limité par l'agitation (L’agitation est l'opération qui consiste à mélanger une phase ou plusieurs pour rendre une ou plusieurs de ces...) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents phénomènes physiques, en...) et dépend fortement de la température : (loi de Curie : )

Ce phénomène est lié à l'existence du spin de l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.).

• Pour les atomes : un 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...) dont les couches électroniques sont totalement remplies ne possède pas de moment magnétique. Lorsque les couches sont incomplètes, il y a toujours un déséquilibre qui produit un moment magnétique de spin.
• Pour les solides cela peut être très différent : les électrons externes participent aux liaisons chimiques. Dans les liaisons covalentes les électrons appariés sont de spin 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 sont insérés au même...). Les ions des cristaux ioniques ont des couches complètes. On peut donc avoir une disparition du magnétisme propre. L'existence du paramagnétisme subsiste pour les solides composés d'atomes ayant des couches électroniques internes incomplètes : métaux de transitions et Lanthanides (terres rares) par exemple.