Magnétisme - Définition

On distingue plusieurs types de magnétisme selon que l'on s'attarde sur celui évoqué dans les sciences ou le magnétisme en général. Le magnétisme en général est celui qui génère des forces quelles qu'elles soient, laissant supposer une attirance entre plusieurs objets. On peut prendre comme exemples la force d'attirance qu'il y a entre deux personnes amoureuses, la force qui attire le public vers une oeuvre, etc.

La définition qui suit est la version scientifique de la chose et donc, moins générale.

Le magnétisme est produit par les charges électriques en mouvement. On distingue:

• le magnétisme produit par des courants développé dans magnétostatique
• le magnétisme dans la matière ou différentes sortes d'aimantation développé ci dessous.

Expérience d'Ørsted

En 1820, le danois Hans Christian Ørsted montre qu'à proximité d'un fil rectiligne parcouru par un courant électrique, l'aiguille d'une boussole dévie.

Le déplacement de charges électriques crée un champ magnétique.

Caractéristiques du champ magnétique

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

• direction : celle de l'aiguille aimantée qui le détecte.
• sens : choisi selon le sens sud-nord de l'aiguille aimantée.
• norme : unité SI, le tesla (T).

Magnétisme dans la matière

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

• certains sont attirés vers les régions de champ intense en s'orientant parallèlement aux lignes de champ comme le ferait un barreau de fer 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, mercure, plomb, presque tous les composés organiques…)

Les substances qui sont comparables au fer sont dites ferromagnétiques (fer, cobalt, nickel et un grand 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, platine… et certains composés d'éléments ferromagnétiques par exemple l'alliage 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, on constate une modification du module du vecteur 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, 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 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 et ferrimagnétisme : matériaux pour lesquels est positif et très grand : il peut atteindre 10 ⁵ ! En électrotechnique seuls ces matériaux sont importants car ils 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 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 de Doctorat, J. H. van Leeuwen prouva qu'il était impossible d'expliquer le magnétisme uniquement à l'aide de l'électrodynamique de Maxwell et de la mécanique statistique classique.

Origine du diamagnétisme

L'effet d'un champ magnétique est de donner à l'ensemble du mouvement électronique une vitesse angulaire de rotation autour de la direction du champ magnétique appliqué : phénomène classique d'induction. Ce moment magnétique induit est proportionnel au champ appliqué et s'oppose à ce dernier. C'est l'origine du diamagnétisme qui est donc un phénomène tout 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 magnétique des supraconducteurs.

Origine du paramagnétisme

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 thermique et dépend fortement de la température : (loi de Curie : )

Ce phénomène est lié à l'existence du spin de l'électron.

• Pour les atomes : Un atome 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. 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.

Ferromagnétisme

C'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 (matériaux magnétiques durs) de garder une aimantation importante même après la disparition du champ extérieur.

Corps ferromagnétiques

Pour l'usage industriel, seul le fer, le cobalt et le nickel sont ferromagnétiques. Certaines terres rares (Lanthanides dans la classifiation périodique) sont également ferromagnétiques à basse température.
En ce qui concerne les alliages, la situation est très complexe : Certains alliages de fer et de nickel ne le sont pas alors que l'alliage 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) ou M est un métal divalent et dont le représentant le plus ancien est la magnétite Fe₃O₄ (FeO ; Fe₂O₃) du nom de la ville de Magnésie, en Asie Mineure.

Courbe de première aimantation

Cycles d'hystéresis

Lorsque l'on a magnétisé un échantillon de matériau 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 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

• Lorsque H est ramené à 0, il subsiste un champ magnétique B_r 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 H_c appelée excitation coercitive.

Conséquences de l'hystérésis

L'aimantation de la matière absorbe de l'énergie 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 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, 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, au nickel ou au cobalt conviennent parfaitement. on réalise aussi des aimants avec de la poudre de fer agglomérée dans un isolant.

Matériaux magnétiques doux

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

Quelques exemples :

• SuperMalloy (Fer, Nickel, Molybdène, ...) : H_c = 0,16 A.m^{- 1} ; B_r = 1,2 T (l'un des plus doux).
• Fer + 3 % de Silicium, grains orientés : H_c = 8 A.m^{- 1} ; B_r = 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), car ce phénomène d'hystérésis est responsable de pertes d'énergie.

Matériaux magnétiques durs

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 (l'excitation vaut alors H_cB). Pour annuler (en fait inverser) l'aimantation, il est nécessaire de fournir une excitation magnétique que l'on appelle H_cM : excitation de désaimantation irréversible.

L'application de ces matériaux est la réalisation d'aimants permanents de très forte puisssance.

Les ferrofluides sont des suspensions de particules aimantées de taille micronique dans un liquide. Ces liquides réagissent à un champ magnétique extérieur (par exemple, leur surface se hérisse de pointes).

Origine microscopique du ferromagnétisme

La théorie 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 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 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 élémentaire est compensé par son voisin.

Ferrimagnétisme

Il s'observe dans des matériaux comportant deux types d'atomes différents, produisant chacun des aimants élémentaires de force différente et orientés en tête-bêche.

Domaines de Weiss

Lorsqu'un matériau est ferro ou ferrimagnétique, il est divisé en domaines, appelés domaines de Weiss, à l'intérieur duquel l'orientation 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 du matériau sont très faibles (quelques nm). Ces matériaux sont dits nanocristallins.
• Le déplacement de ces parois est responsable des phénomènes d'hystérésis.

Autres usages

Informatique

Dans le domaine des interfaces graphiques, le magnétisme est la faculté d'un élément graphique à se " coller " à un autre lorsque la distance les séparant (généralement calculée en pixels) est suffisamment réduite. Ceci aide à harmoniser l'apparence, par exemple en permettant beaucoup plus facilement des alignements d'objets.

Pair-à-pair

(À faire, à partir de trafficmagnet)