Olympiades de la Physique 2017 Diamagnétisme du bismuth

Olympiades de la Physique 2017
Diamagnétisme du bismuth
(Mise en évidence d'une répulsion magnétique universelle : Le phénomène diamagnétique.)
LAFON Timothé
RECROIX Martin
Lycée René Cassin, Bayonne
Professeurs assistants : Jean-Paul Bruyère, Sylvie Champault, Alban Lamendin,

Résumé
Depuis quelques années, nous avions connaissance de l’existence d’une force magnétique
de répulsion liée à une propriété de la matière appelée diamagnétisme. Nous avons donc voulu
apprendre plus de choses sur ce mécanisme qui nous était, alors, encore obscur.
Nous avons donc cherché un matériau qui puisse nous permettre d’étudier le phénomène
à température ambiante : le bismuth.
Ensuite, nous avons étudié les propriétés magnétiques des aimants en effectuant surtout
une expérience sur l’interaction entre deux aimants à différentes distances : compensation du
poids d’un petit aimant néodyme (NdFeB) par un autre. Par la suite, nous avons réfléchi à une
expérience qui pouvait permettre de mettre en évidence le phénomène de répulsion
diamagnétique avec du bismuth dont nous avons fait l’acquisition.
C’est grâce à cette étude du diamagnétisme que nous avons vraiment enrichi nos connaissances
d’une multitude d’éléments sur le magnétisme et sur l ’interaction des champs magnétiques avec
la matière.
2

SOMMAIRE
p.4 PARTIE 1 : RECHERCHES
p.4 I) Introduction au magnétisme
p.4 a) Histoire du magnétisme
p.4 b) Définition du magnétisme
p.4 II) Les différents types de magnétisme
p.4 a) Explication des phénomènes
p.5 b) Détermination du magnétisme
p.7 PARTIE 2 : LE PROJET
p.7 I)Préparation de l'expérience
p.7 1) Conditions
p.8 2) Initialisation
p.8 3) Détermination de la valeur de P
p.8 4) Détermination de la valeur de F
p.10 5) Conclusion partielle
p.11 II)Etude du phénomène diamagnétique dans le cadre du projet
p.11 1) Comportement d'un dipôle magnétique dans un champ
magnétique extérieur
p.11 a) Introduction
p.11 b) Explications
p.12 c) Résultat
p.12 2) Analyse de l'expérience :
p.12 a) Positionnement
p.12 b) Le champ magnétique induit un champ électrique, quel est
le rôle de ce dernier?
p.14 c) Le champ électrique précédent induit un nouveau champ
magnétique
p.15 d) Réaction du système
p.17 AJOUTS
p.19 BILAN
3

PARTIE 1 : RECHERCHES
I) Introduction au magnétisme
a) Histoire du magnétisme
Les premières observations du magnétisme remontent à l'Antiquité. En effet les grecs et
d’autres civilisations savaient que certaines pierres attiraient des petits morceaux de fer, (la
magnétite est, par exemple, une roche naturellement magnétique). Mais le phénomène n'a été
étudié avec attention qu'à partir du XVIIIe siècle. Charles Augustin de Coulomb établit alors que
les forces qui s'exercent entre deux pôles magnétiques sont inversement proportionnelles au carré
de la distance qui les sépare. Le terme de magnétisme désigne l'ensemble des phénomènes qui ont
lieu au cœur et autour de matériaux aimantés. Les applications du magnétisme s ont nombreuses,
et très répandues : électroménager, décoration, …
b) Définition du magnétisme
Le magnétisme est toujours associé au mouvement de charges électriques, qu'il soit à
l'échelle macroscopique (comme le champ magnétique créé par un courant électrique) ou bien à
l'échelle microscopique ou atomique (champs magnétiques résultant des mouvements d'électrons
dans les atomes suite par exemple à l'interaction spin-orbite). Bien entendu il faut prendre en
compte le comportement collectif, de l'ensemble des charges en mouvement dans la matière pour
déterminer ses différents types de propriétés magnétiques.
Aujourd'hui, il est admis que le magnétisme est un phénomène quantique dont les effets
s'observent à l'échelle macroscopique. Au niveau de l'atome, chaque électron possède un petit
moment magnétique. Naturellement, les électrons de moments magnétiques opposés ont tendance
à se regrouper par paires (comme deux aimants se collant l’un à l’autre par leurs pôles opposés)
et, à l'échelle macroscopique, l'aimantation est alors nulle. Mais, si des électrons se retrouvent
sans partenaires, leurs moments magnétiques s'additionnent. Ils produisent alors une aimantation
globale du matériau. Les métaux de transition (fer, nickel, etc.) et les terres rares, sont les seuls
éléments à porter un tel moment magnétique.
II) Les différents types de magnétisme
Il y a différentes manifestations du magnétisme ou types de magnétisme:
- Le diamagnétisme
- Le paramagnétisme
- Le ferromagnétisme
a) Explication des phénomènes
Dans de nombreux cas, les électrons forment dans les atomes des paires de particules en
mouvement opposé, de manière à avoir un moment magnétique total nul. Ainsi la majorité des
atomes et des molécules ne produisent pas de champ magnétique propre.
Mais ils possèdent tous une réponse magnétique lorsqu’on les soumet à un champ magnétique
extérieur.
Une très grande partie des substances solides, liquides, gazeuses ou organiques sont très
faiblement magnétiques. Elles sont repoussées par un aimant produisant un champ très puissant.
Faraday a été le premier à observer ce phénomène en 1845. Il se nomme le diamagnétisme. Le
diamagnétisme est associé au mouvement orbital des électrons atomiques. 4

S’ils sont soumis à un champ leur moment cinét ique est légèrement modifié et le mouvement
associé à cette modification produit alors un champ qui s’oppose au champ appliqué. Ainsi, le
diamagnétisme est présent dans toutes les substances et on peut l’observer s’il n’est pas
contrebalancé par un autre phénomène plus fort. Des expériences ont été réalisées et des
scientifiques ont réussi à faire léviter un organisme vivant : une grenouille, et de nombreux objets
(eau, noisette, fruits, …) dans un champ magnétique très puissant de 16 Tesla au laboratoire
Nijmengen High Field Magnet Laboratory. Cette expérience permet de montrer l’universalité du
diamagnétisme.
En résumé, un matériau diamagnétique est un matériau qui crée un champ magnétique en
opposition à un champ magnétique externe appliqué. Ce faible champ opposé produit une force de
répulsion. Les matériaux avec un diamagnétisme assez puissant sont l’or, le cuivre, les
supraconducteurs et le bismuth que nous allons étudier dans notre expérience.
Si un atome est constitué d’un nombre impair d’électrons ou caractérisé par une
configuration telle que tous les électrons ne forment pas des paires, l’atome possède un dipôle
magnétique total qui produit son propre champ magnétique.
De telles substances sont dites paramagnétiques. Si elles sont placées près d’u n aimant
puissant, les dipôles s’orientent selon la direction et le sens du champ extérieur, ainsi le corps
s’aimante et se trouve attiré par l’aimant. L’attraction est toutefois relativement faible et
l’aimantation cesse dès que le champ extérieur est supprimé.
Toutefois, dans un échantillon contenant un grand nombre d’atomes (par exemple un petit
cylindre en bismuth), ces dipôles s’orientent au hasard, le moment magnétique résultant est alors
nul. Ainsi l’échantillon de matière peut s’avérer être diamagnétique alors qu’à l’échelle de
l’atome l’élément est paramagnétique.
Le dernier des 3 types majeurs de magnétisme est le ferromagnétisme. Exemples de substances
ferromagnétiques : corps constitués de fer, de cobalt ou de nickel (atomes, composés de type
oxyde, alliages – le plus connu étant l’acier). On trouvera là aussi des configurations dans
lesquelles les électrons ne forment pas tous des paires. Mais le dipôle total d’un atome
ferromagnétique interagit fortement avec les dipôles voisins, et ils s’alignent dans une direction
commune qui persiste au cours du temps. Ces substances sont fortement attirées par les pôles d’un
aimant et s’aimantent facilement elles-mêmes. Elles deviennent alors des aimants permanents
(c’est le procédé utilisé de nos jours pour créer des aimants). Le matériau crée un champ puissant
dans la même direction que le champ externe qui s’exerce sur lui, c’est ce qui crée cette force
d’attraction importante entre le fer et un aimant par exemple.
b) Détermination du magnétisme
Un moyen assez simple de déterminer le type de magnétisme d’un matériau est d’étudier la
susceptibilité magnétique du matériau notée χm. Cette grandeur correspond à la réaction du
matériau lors de l’exposition à un champ magnétique externe. Cette interaction provoque
l’apparition d’un champ magnétique propre généré par le matériau qui, dirigé selon la direction
du champ extérieur va se trouver soit dans le même sens, soit dans le sens opposé à celui du champ
extérieur. Si le champ extérieur appliqué est fort alors, par proportionnalité, la réaction va être
grande, c’est pour cela que les scientifiques ont pu faire léviter le corps de la grenouille avec un
champ magnétique puissant (celle-ci assez légère avait besoin d’un champ puissant mais qui était
possible à générer pour que les propriétés diamagnétiques des molécules qui la composent soient
suffisamment puissantes pour faire léviter le corps). Les différents cas possibles sont présentés
page suivante. 5