Magnétisme

Magnétisme
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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 par une réaction
d'orientation et/ou de déplacement dépendante de la force et de l'orientation. Cette force
s'effectue par l'intermédiaire du champ magnétique, et est produite par des charges en
mouvement ou des aimants.
Sommaire
[masquer]
 1 Expérience d'Ørsted
 2 Caractéristiques du vecteur d'induction (densité de flux) du champ magnétique
 3 Magnétisme dans la matière
o 3.1 Description macroscopique
 3.1.1 Excitation magnétique
 3.1.2 Perméabilité et susceptibilité magnétiques
 3.1.3 Classification des effets magnétiques
o 3.2 Origine microscopique du magnétisme
 3.2.1 Mouvement des électrons
 3.2.2 Origine du diamagnétisme
 3.2.3 Origine du paramagnétisme
 4 Ferromagnétisme
o 4.1 Corps ferromagnétiques
o 4.2 Courbe de première aimantation
o 4.3 Cycles d'hystéresis
 4.3.1 Conséquences de l'hystérésis
 4.3.2 Matériaux magnétiques doux
 4.3.3 Matériaux magnétiques durs
o 4.4 Origine microscopique du ferromagnétisme
 4.4.1 Ferromagnétisme
 4.4.2 Antiferromagnétisme
 4.4.3 Ferrimagnétisme
 4.4.4 Domaines de Weiss
 5 Voir aussi
 6 Références

Expérience d'Ørsted [modifier]
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 vecteur d'induction (densité de flux)
du champ magnétique [modifier]
Il règne un champ magnétique lorsque une aiguille aimantée prend une direction déterminée.
 direction : celle de l'aiguille aimantée qui détecte le flux magnétique du champ.
 sens : choisi selon le sens sud-nord de l'aiguille aimantée.
 norme : unité SI, le tesla (T).
Magnétisme dans la matière [modifier]
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 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 [modifier]
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 [modifier]

On pose : , avec : perméabilité du vide, et , aimantation
Perméabilité et susceptibilité magnétiques [modifier]
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
o d'où :
On pose aussi :
 avec : perméabilité relative du matériau.
Classification des effets magnétiques [modifier]
 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 ce sont les seuls à produire des augmentations du champ magnétique qui sont
significatives (voir ci-dessous).
Origine microscopique du magnétisme [modifier]

Mouvement des électrons [modifier]
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 [modifier]
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 [modifier]
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 [modifier]
Article détaillé : 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 d'entre-eux, appelés aimants (ie. les matériaux
magnétiques durs), de garder une aimantation importante même après la disparition du champ
extérieur (aimantation rémanente).
Corps ferromagnétiques [modifier]
Pour l'usage industriel, seul le fer, le cobalt et le nickel sont des ferromagnétiques
intéressants. Certaines terres rares (les 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 sont pas ferromagnétiques, 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) où M est
un métal divalent et dont le représentant le plus ancien est la magnétite Fe3O4 (FeO ; Fe2O3).
Courbe de première aimantation [modifier]
Cycles d'hystéresis [modifier]
Article détaillé : Hystérésis.
Lorsqu'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 Br 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 Hc appelée excitation coercitive.
Conséquences de l'hystérésis [modifier]
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