FERROMAGNÉTISME: MATÉRIAUX, APPLICATIONS ET EXEMPLES - PHYSIQUE - 2025

Le ferromagnétisme est la propriété qui donne à certaines substances une réponse magnétique intense et permanente. Dans la nature, il existe cinq éléments possédant cette propriété: le fer, le cobalt, le nickel, le gadolinium et le dysprosium, ces dernières terres rares.

En présence d'un champ magnétique externe, tel que celui produit par un aimant naturel ou un électroaimant, une substance répond de manière caractéristique, selon sa configuration interne. L'amplitude qui quantifie cette réponse est la perméabilité magnétique.

Aimants formant un pont. Source: Pixabay

La perméabilité magnétique est une grandeur sans dimension donnée par le quotient entre l'intensité du champ magnétique généré à l'intérieur du matériau et celle du champ magnétique appliqué à l'extérieur.

Lorsque cette réponse est bien supérieure à 1, le matériau est classé comme ferromagnétique. En revanche, si la perméabilité n'est pas très supérieure à 1, la réponse magnétique est considérée comme plus faible, ce sont des matériaux paramagnétiques.

Dans le fer, la perméabilité magnétique est de l'ordre de 10 ⁴. Cela signifie que le champ à l'intérieur du fer est environ 10 000 fois plus grand que le champ appliqué à l'extérieur. Ce qui donne une idée de la puissance de la réponse magnétique de ce minéral.

Comment la réponse magnétique provient-elle des substances?

Le magnétisme est connu pour être un effet associé au mouvement des charges électriques. C'est exactement ce en quoi consiste le courant électrique. D'où viennent alors les propriétés magnétiques du barreau magnétique avec lequel une note est collée sur le réfrigérateur?

Le matériau de l'aimant, ainsi que toute autre substance, contient à l'intérieur des protons et des électrons, qui ont leur propre mouvement et génèrent des courants électriques de diverses manières.

Un modèle très simplifié suppose l'électron en orbite circulaire autour du noyau composé de protons et de neutrons, formant ainsi une minuscule boucle de courant. Chaque boucle est associée à une grandeur vectorielle appelée "moment magnétique orbital", dont l'intensité est donnée par le produit du courant et de l'aire déterminée par la boucle: le magnéton de Bohr.

Bien entendu, dans cette petite boucle, le courant dépend de la charge de l'électron. Puisque toutes les substances contiennent des électrons à l'intérieur, toutes ont en principe la possibilité d'exprimer des propriétés magnétiques. Cependant, tous ne le font pas.

En effet, ses moments magnétiques ne sont pas alignés, mais disposés au hasard à l'intérieur, de sorte que ses effets magnétiques macroscopiques s'annulent.

L'histoire ne s'arrête pas là. Le produit du moment magnétique du mouvement électronique autour du noyau n'est pas la seule source possible de magnétisme à cette échelle.

L'électron a une sorte de mouvement de rotation autour de son axe. C'est un effet qui se traduit par un moment cinétique intrinsèque. Cette propriété s'appelle le spin de l'électron.

Naturellement, il a également un moment magnétique associé et il est beaucoup plus fort que le moment orbital. En fait, la plus grande contribution au moment magnétique net de l'atome se fait par le spin, cependant les deux moments magnétiques: celui de la translation plus celui du moment angulaire intrinsèque, contribuent au moment magnétique total de l'atome.

Ces moments magnétiques sont ceux qui ont tendance à s'aligner en présence d'un champ magnétique externe. Et ils le font aussi avec les champs créés par des moments voisins dans le matériau.

Maintenant, les électrons se couplent généralement en atomes avec de nombreux électrons. Des paires sont formées entre des électrons de spin opposé, ce qui entraîne l'annulation du moment magnétique de spin.

La seule façon dont le spin contribue au moment magnétique total est si l'un d'entre eux n'est pas apparié, c'est-à-dire que l'atome a un nombre impair d'électrons.

Qu'en est-il du moment magnétique des protons dans le noyau? Eh bien, ils ont aussi un moment de spin, mais il n'est pas considéré comme contribuant de manière significative au magnétisme d'un atome. En effet, le moment de spin est inversement dépendant de la masse et la masse du proton est bien supérieure à celle de l'électron.

Les domaines magnétiques

Dans le fer, le cobalt et le nickel, la triade d'éléments à grande réponse magnétique, le moment de spin net produit par les électrons n'est pas nul. Dans ces métaux, les électrons de l'orbitale 3d, les plus externes, sont les qui contribuent au moment magnétique net. C'est pourquoi ces matériaux sont considérés comme ferromagnétiques.

Cependant, ce moment magnétique individuel de chaque atome ne suffit pas à expliquer le comportement des matériaux ferromagnétiques.

À l'intérieur des matériaux fortement magnétiques se trouvent des régions appelées domaines magnétiques, dont l'extension peut varier entre 10 ^-4 et 10 ^-1 cm et qui contiennent des milliards d'atomes. Dans ces régions, les moments de spin nets des atomes voisins deviennent étroitement couplés.

Lorsqu'un matériau avec des domaines magnétiques s'approche d'un aimant, les domaines s'alignent les uns avec les autres, intensifiant l'effet magnétique.

C'est parce que les domaines, comme les barreaux magnétiques, ont des pôles magnétiques, également notés Nord et Sud, tels que les pôles semblables se repoussent et les pôles opposés s'attirent.

Au fur et à mesure que les domaines s'alignent avec le champ externe, le matériau émet des sons de craquement qui peuvent être entendus par une amplification appropriée.

Cet effet peut être observé lorsqu'un aimant attire les clous en fer doux et ceux-ci se comportent à leur tour comme des aimants attirant d'autres clous.

Les domaines magnétiques ne sont pas des frontières statiques établies dans le matériau. Sa taille peut être modifiée en refroidissant ou en chauffant le matériau, et en le soumettant également à l'action de champs magnétiques externes.

Cependant, la croissance du domaine n'est pas illimitée. Au moment où il n'est plus possible de les aligner, on dit que le point de saturation du matériau est atteint. Cet effet se reflète dans les courbes d'hystérésis ci-dessous.

L'échauffement du matériau entraîne une perte d'alignement des moments magnétiques. La température à laquelle la magnétisation est complètement perdue diffère selon le type de matériau, pour un barreau magnétique, elle est généralement perdue à environ 770 ° C.

Une fois l'aimant retiré, la magnétisation des clous est perdue en raison de l'agitation thermique présente à tout moment. Mais il existe d'autres composés qui ont une aimantation permanente, car ils ont des domaines spontanément alignés.

Les domaines magnétiques peuvent être observés lorsqu'une zone plane de matériau ferromagnétique non magnétisé, comme le fer doux, est très bien coupée et polie. Une fois cela fait, il est saupoudré de poudre ou de fine limaille de fer.

Au microscope, on observe que les puces sont regroupées sur les régions de formation minérale avec une orientation très bien définie, suivant les domaines magnétiques du matériau.

La différence de comportement entre les différents matériaux magnétiques est due à la façon dont les domaines se comportent en leur sein.

Hystérésis magnétique

L'hystérésis magnétique est une caractéristique que seuls les matériaux à haute perméabilité magnétique possèdent. Il n'est pas présent dans les matériaux paramagnétiques ou diamagnétiques.

Il représente l'effet d'un champ magnétique externe appliqué, noté H, sur l'induction magnétique B d'un métal ferromagnétique au cours d'un cycle d'aimantation et de démagnétisation. Le graphique affiché est appelé une courbe d'hystérésis.

Cycle d'hystérésis ferromagnétique

Initialement au point O, il n'y a pas de champ appliqué H ou de réponse magnétique B, mais à mesure que l'intensité de H augmente, l'induction B augmente progressivement jusqu'à atteindre la magnitude de saturation B _s au point A, ce qui est attendu.

Maintenant l'intensité de H est progressivement diminuée jusqu'à ce qu'elle devienne 0, avec cela nous atteignons le point C, cependant la réponse magnétique du matériau ne disparaît pas, conservant une aimantation rémanente indiquée par la valeur B _r. Cela signifie que le processus n'est pas réversible.

De là, l'intensité de H augmente mais avec la polarité inversée (signe négatif), de sorte que l'aimantation rémanente est annulée au point D. La valeur nécessaire de H est notée H _c et est appelée champ coercitif.

L'amplitude de H augmente jusqu'à ce qu'elle atteigne à nouveau la valeur de saturation en E et immédiatement l'intensité de H diminue jusqu'à ce qu'elle atteigne 0, mais il reste une aimantation rémanente de polarité opposée à celle précédemment décrite, au point F.

Maintenant, la polarité de H est à nouveau inversée et sa grandeur est augmentée jusqu'à ce que la réponse magnétique du matériau au point G. soit annulée En suivant le trajet GA, sa saturation est à nouveau obtenue. Mais la chose intéressante est que vous n'y êtes pas arrivé par le chemin d'origine indiqué par les flèches rouges.

Matériaux magnétiquement durs et mous: applications

Le fer doux est plus facile à magnétiser que l'acier, et le tapotement du matériau facilite encore l'alignement des domaines.

Lorsqu'un matériau est facile à magnétiser et à démagnétiser, on dit qu'il est magnétiquement doux, et bien sûr, si le contraire se produit, il s'agit d'un matériau magnétiquement dur. Dans ce dernier, les domaines magnétiques sont petits, tandis que dans le premier, ils sont grands, de sorte qu'ils peuvent être vus au microscope, comme détaillé ci-dessus.

La zone délimitée par la courbe d'hystérésis est une mesure de l'énergie nécessaire pour magnétiser - démagnétiser le matériau. La figure montre deux courbes d'hystérésis pour deux matériaux différents. Celui de gauche est magnétiquement doux, tandis que celui de droite est dur.

Un matériau ferromagnétique doux a un petit champ coercitif H _c et une courbe d'hystérésis élevée et étroite. C'est un matériau approprié à placer dans le noyau d'un transformateur électrique. Des exemples d'entre eux sont le fer doux et les alliages silicium-fer et fer-nickel, utiles pour les équipements de communication.

En revanche, les matériaux magnétiquement durs sont difficiles à démagnétiser une fois magnétisés, comme c'est le cas avec les alliages alnico (aluminium-nickel-cobalt) et les alliages de terres rares avec lesquels des aimants permanents sont réalisés.

Références

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2. Jeune, Hugh. 2016. Physique de l'Université Sears-Zemansky avec la physique moderne. 14e éd. Pearson. 943.
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