Magnétisme 35789 30708056 2008-06-16T19:29:02Z Lix 289673 Proposition d'entête {{à recycler|physique}} {{Homonyme|Magnétisme (homonymie)}} Le '''magnétisme''' est le champ d'une force invisible, mesurable et orientée créé par les deux pôles — nord ou sud — d'un aimant naturel ou artificiel. Des objets, dit ''magnétisables'', sont susceptibles de réagir plus ou moins à ce champ par une réaction d'orientation et/ou de déplacement en fonction de la force et de l'orientation de son champ, soit par l'attirance, soit par la répulsion ; et c'est ce qui en manifeste la présence. ==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 <math>\vec B</math>== 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 : [[Système international d'unités|unité SI]], le [[Tesla_(unité)|tesla]] (T). ==Magnétisme dans la matière == [[Michael Faraday|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 [[Diamagnétisme|diamagnétiques]] ([[argent]], [[or]], [[cuivre]], [[mercure (chimie)|mercure]], [[plomb]], presque tous les composés organiques…). Les substances qui sont comparables au [[fer]] sont dites [[Ferromagnétisme|ferromagnétiques]] (fer, [[cobalt]], [[nickel]] et un grand nombre de leurs alliages en particulier les [[acier]]s) 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 [[Paramagnétisme|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 <math>I \,</math> crée un champ magnétique noté <math>\vec B_0 \,</math>. 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 <math>\vec B \,</math>. Remarque : dans certains ouvrages anciens ou certains livres techniques <math>\vec B \,</math> est appelé ''vecteur induction magnétique'' ====Excitation magnétique==== [[Image:Magnétisme_1.jpg|center]] <math>\vec B_0 = \mu_0 \vec H</math> On pose : <math>\vec H = \frac{\vec B}{ \mu_0} - \vec M </math>, avec <math>\mu_0 \,</math> : ''perméabilité'' du vide, et <math>\vec M</math>, aimantation ====Perméabilité et susceptibilité magnétiques==== La présence du matériau modifie le champ magnétique. On pose : *<math>\vec B = \mu . \vec H </math> avec <math>\mu \,</math> : ''[[perméabilité magnétique]]'' du matériau <br /> On définit par <math>\vec M \,</math> le ''vecteur aimantation'' acquise par la matière *<math>\vec M = \chi . \vec H </math> avec <math>\chi \,</math> : ''[[susceptibilité magnétique]]'' du matériau<br /> ** d'où :<math>\vec B = \mu_0 ( \vec H + \vec M) = (1 + \chi ) \vec B_0 </math> On pose aussi : *<math> \mu_r = \frac{\mu}{\mu_0} = (1 + \chi ) </math> avec <math>\mu_r \,</math> : ''[[perméabilité relative]]'' du matériau. ====Classification des effets magnétiques==== *[[Diamagnétisme]] : matériaux pour lesquels <math>\chi \,</math> est négatif mais toujours extrêmement faible, de l'ordre de 10<sup>- 5</sup> *[[Paramagnétisme]] : matériaux pour lesquels <math>\chi \,</math> est positif mais toujours très faible, de l'ordre de 10<sup>- 3</sup> *[[Ferromagnétisme]] et [[ferrimagnétisme]] : matériaux pour lesquels <math>\chi \, </math> est positif et très grand, il peut atteindre 10<sup> 5</sup> ! 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=== ====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 [[mécanique quantique|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'[[FEM|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]] : <math>\mathbf{M} = C \cdot \frac{\mathbf{B}}{T} \,</math>) 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 [[Lanthanide|Lanthanides]] (terres rares) par exemple. == Ferromagnétisme == {{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 [[aimant]]s (''ie.'' les matériaux magnétiques durs), de garder une aimantation importante même après la disparition du champ extérieur (aimantation rémanente). === Corps ferromagnétiques === Pour l'usage industriel, seul le [[fer]], le [[cobalt]] et le [[nickel]] sont des ferromagnétiques intéressants. Certaines terres rares (les [[Lanthanide]]s dans la [[Tableau périodique des éléments#Tableau|classifiation périodique]]) sont également ferromagnétiques à basse température. En ce qui concerne les [[alliage]]s, 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 [[ferrite|ferrites]], dont la composition est de la forme (MO ; Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>) ou M est un métal divalent et dont le représentant le plus ancien est la [[magnétite]] Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub> (FeO ; Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>). === Courbe de première aimantation === [[Image:1ere_aimantation.jpg|center]] === Cycles d'hystéresis === {{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 ''B<sub>r</sub>'' 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<sub>c</sub>'' 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 ==== [[Image:Cycle_matériaux_doux.jpg|right]] Ce sont en général des matériaux doux mécaniquement. Ces matériaux ont des cycles très étroits : l'excitation cœrcitive ne dépasse pas 100 A.m<sup>- 1</sup>. Ils possèdent une grande perméabilité. Quelques exemples : * SuperMalloy (fer, nickel, [[molybdène]]...) : ''H<sub>c</sub>'' = 0,16 A.m<sup>-1</sup> ; ''B<sub>r</sub>'' = 1,2 T (l'un des plus doux) ; * Fer + 3 % de Silicium, grains orientés : ''H<sub>c</sub>'' = 8 A.m<sup>-1</sup> ; ''B<sub>r</sub>'' = 1,0 T<br /> Les matériaux magnétiques doux sont utilisés pour réaliser des [[électroaimant]]s (leur aimantation doit pouvoir facilement être annulée) ou des circuits magnétiques fonctionnant en régime alternatif (machines électriques, transformateurs). {{clr}} ==== Matériaux magnétiques durs ==== [[Image :Cycle_matériaux_durs.jpg|right]] Contrairement aux précédents, les cycles sont extrêmement larges : plusieurs centaines de kA.m<sup>-1</sup>. 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<sub>cB</sub>''). Pour annuler (en fait inverser) l'aimantation, il est nécessaire de fournir une excitation magnétique que l'on appelle ''H<sub>cM</sub>'' : excitation de désaimantation irréversible. L'application de ces matériaux est la réalisation d'[[aimant]]s permanents de très forte puissance. Les [[ferrofluide]]s 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). {{clr}} === 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 ==== {{Article détaillé|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&nbsp;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 ==== {{Article détaillé|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 ==== {{Loupe|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 ==== {{Loupe|Domaine 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. == Voir aussi == * [[Champ magnétique]] * [[Susceptibilité magnétique]] * [[Aimantation]] * [[Électroaimant]] == Références == * {{Physique de l'état solide (Charles Kittel)}} * L. P. Lévy, ''Magnétisme et Supraconductivité'' (EDP Sciences) * {{Landau|tome 8}} * {{Ashcroft-Mermin}} {{électromagnétisme}} {{Portail|physique|électricité et électronique}} [[Catégorie:Magnétisme|*]] [[af:Magnetisme]] [[ar:مغناطيسية]] [[az:Maqnitizm]] [[bg:Магнетизъм]] [[br:Gwarellegezh]] [[bs:Magnetizam]] [[ca:Magnetisme]] [[cs:Magnetismus]] [[da:Magnetisme]] [[de:Magnetismus]] [[el:Μαγνητισμός]] [[en:Magnetism]] [[eo:Magnetismo]] [[es:Magnetismo]] [[fi:Magnetismi]] [[gl:Magnetismo]] [[he:מגנטיות]] [[hr:Magnetizam]] [[hu:Mágnesség]] [[id:Magnetisme]] [[it:Magnetismo]] [[ja:磁性]] [[jbo:makykai]] [[ko:자기]] [[lb:Magnetismus]] [[lt:Magnetizmas]] [[ml:കാന്തികത]] [[nl:Magnetisme]] [[nn:Magnetisme]] [[no:Magnetisme]] [[pl:Magnetyzm]] [[pt:Magnetismo]] [[qu:Llut'ariy]] [[ro:Magnetism]] [[ru:Магнетизм]] [[simple:Magnetism]] [[sk:Magnetizmus]] [[sl:Magnetizem]] [[sr:Магнетизам]] [[sv:Magnetism]] [[th:ความเป็นแม่เหล็ก]] [[tr:Mıknatıslık]] [[uk:Магнетизм]] [[ur:مقناطیسیت]] [[vi:Từ học]] [[zh:磁]]