Paramagnétisme - Définition
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Introduction
Le paramagnétisme désigne en magnétisme le comportement d'un milieu matériel qui ne possède pas d'aimantation spontanée mais qui, sous l'effet d'un champ magnétique extérieur, acquiert une aimantation dirigée dans le même sens que ce champ d'excitation. Un matériau paramagnétique possède donc une susceptibilité magnétique de valeur positive (contrairement aux matériaux diamagnétiques), en général assez faible. Cette aimantation disparaît lorsque le champ d'excitation est coupé, il n'y a donc pas de phénomène d'hysteresis comme pour le ferromagnétisme.
Le paramagnétisme ne désigne pas une propriété intrinsèque d'un matériau mais un comportement en réponse à un champ magnétique, comportement qui peut changer selon les conditions considérées. Ainsi, un matériau ferromagnétique devient paramagnétique quand sa température dépasse sa température de Curie. Il peut également devenir paramagnétique pour des échantillons de taille suffisamment petite : on parle alors de superparamagnétisme.
À l'échelle microscopique, on peut modéliser un matériau paramagnétique par un ensemble de dipôles magnétiques indépendants. La réponse du système à un champ magnétique appliqué est alors déterminée par le rapport de forces entre l'énergie magnétique d'une part qui tend à ordonner les dipôles en les alignant selon le champ appliqué, et l'énergie d'agitation thermique d'autre part qui favorise le désordre. Le traitement de ce problème par la physique statistique permet de démontrer la loi de Curie qui affirme que la susceptibilité magnétique d'un matériau paramagnétique est inversement proportionnelle à la température.
Aspect microscopique
Le moment magnétique d'un atome
avec g le facteur de Landé et μB le magnéton de Bohr.
Le moment cinétique total résulte de 3 composantes :
- Spin,
- Moment cinétique orbital des électrons,
- Spin nucléaire des nucléons.
Le spin nucléaire étant très faible, il n'apporte pas de contribution suffisante à la susceptibilité pour être pris en compte. Il est cependant possible de le mesurer, et il est utilisé en médecine par l'imagerie par résonance magnétique.
En l'absence de champ magnétique externe, le moment magnétique de chaque atome est orienté au hasard, et la somme de ces moments magnétiques (micro-aimants) est donc nulle à l'échelle macroscopique, le corps n'est pas aimanté.
En présence d'un champ magnétique externe, chaque moment magnétique d'atome
Dans les matériaux paramagnétiques, les moments magnétiques de spin dominent sur ceux produits par les mouvements orbitaux des électrons.
Paramagnétisme de Langevin
Paul Langevin a introduit l'idée selon laquelle le moment magnétique d'un corps peut être la somme des moments magnétiques de chaque atome. Toutefois, une augmentation de la température apporte de l'agitation thermique qui entraîne la désorientation des moments magnétiques des atomes, malgré l'influence du champ magnétique extérieur. Paul Langevin explique alors la diminution du paramagnétisme comme une fonction inversement proportionnelle à la température. Ce phénomène est décrit par la loi de Curie :
-
-
- T est la température absolue, en kelvins
- C est la constante de Curie du matériau. Elle est définie par :
- où N est le nombre de moments magnétiques à considérer, μ est un moment magnétique individuel et kB est la constante de Boltzmann.
