Ferromagnétisme - Définition

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, matériaux magnétiques durs) de garder une aimantation importante même après la disparition du champ extérieur. Cette propriété résulte du couplage collectif des spins entre centres métalliques d'un matériau ou d'un complexe de métaux de transition, les moments de tous les spins étant orientés de la même façon au sein de la substance. Voir l'article Magnétisme : Magnétisme dans la matière.

La susceptibilité magnétique est alors très élevée.
 : Aimantation du matériau
 : Excitation magnétique

Influence de la température

Quand la température augmente, les moments magnétiques deviennent de moins en moins ordonnés, diminuant ainsi la susceptibilité magnétique jusqu'à la température de Curie.

La susceptibilité des matériaux ferromagnétiques varie avec la température selon une loi de la forme :

(loi de Curie)

où est la constante de Curie et la température ; au delà de cette température le matériau devient paramagnétique et l'aimantation est quasi nulle.

Corps ferromagnétiques

Pour l'usage industriel, seul le fer, le cobalt et le nickel sont ferromagnétiques. Certaines terres rares (Lanthanides dans la classification 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'hystérésis

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.

Matériaux magnétiques doux

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

Quelques exemples :

• SuperMalloy (Fer, Nickel, Molybdène, etc.) : 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 puissance.