Magnétisme - Définition et Explications

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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...) par une réaction d'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil...) et/ou de déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) dépendante de la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) 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...), l'aiguille d'une boussole (Une boussole est un instrument de navigation constitué d’une aiguille...) 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...)

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...) 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...), mercure, plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et...), 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...), 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...) 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...) 68% fer 32% de nickel).

Description macroscopique

Un solénoïde (enroulement cylindrique) parcouru par un courant d'intensité I \, crée un champ magnétique noté \vec B_0 \,. 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...), on constate une modification du module du vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet...) champ magnétique que l'on notera maintenant \vec B \,.

Remarque : dans certains ouvrages anciens ou certains livres techniques \vec B \, est appelé vecteur induction magnétique

Excitation magnétique

Magnétisme 1.jpg

\vec B_0 = \mu_0 \vec H

On pose : \vec H = \frac{\vec B}{ \mu_0} - \vec M , avec \mu_0 \, : perméabilité du vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.), et \vec M, aimantation

Perméabilité et susceptibilité magnétiques

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

  • \vec B = \mu . \vec H avec \mu \, : perméabilité magnétique du matériau

On définit par \vec M \, le vecteur aimantation acquise par la matière

  • \vec M = \chi . \vec H avec \chi \, : susceptibilité magnétique du matériau
    • d'où :\vec B = \mu_0 ( \vec H + \vec M) = (1 + \chi )  \vec B_0

On pose aussi :

  •  \mu_r = \frac{\mu}{\mu_0} = (1 + \chi ) avec \mu_r \, : 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...) pour lesquels \chi \, est négatif mais toujours extrêmement faible, de l'ordre de 10- 5
  • Paramagnétisme : matériaux pour lesquels \chi \, 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...) et ferrimagnétisme : matériaux pour lesquels \chi \, est positif et très grand, il peut atteindre 10 5 ! En électrotechnique (Étymologiquement l'électrotechnique désigne l'étude des applications techniques de...) 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...) 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...) de Doctorat (Le doctorat (du latin doctorem, de doctum, supin de docere, enseigner) est généralement...), 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...) de Maxwell et de la mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon....) classique.

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

L'effet d'un champ magnétique est de donner à l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) du mouvement électronique une vitesse angulaire (En physique, et plus spécifiquement en mécanique, la vitesse angulaire ω, aussi appelée...) de rotation autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) 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...) 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...) magnétique des supraconducteurs.

Origine du paramagnétisme (Le paramagnétisme est la tendance des dipôles magnétiques atomiques à s'aligner avec un champ...)

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...) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) et dépend fortement de la température : (loi de Curie : \mathbf{M} = C \cdot \frac{\mathbf{B}}{T} \,)

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...).

  • Pour les atomes : un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) 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...). 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.
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