MAGNÉTISATION: MOMENT MAGNÉTIQUE ORBITAL ET DE SPIN, EXEMPLES - PHYSIQUE - 2025

L' aimantation est une quantité vectorielle décrivant l'état magnétique d'un matériau et est définie comme la quantité de moments magnétiques dipolaires par unité de volume. Un matériau magnétique - fer ou nickel par exemple - peut être considéré comme étant constitué de nombreux petits aimants appelés dipôles.

Normalement, ces dipôles, qui à leur tour ont des pôles magnétiques nord et sud, sont répartis avec un certain degré de désordre dans le volume du matériau. Le désordre est moindre dans les matériaux ayant de fortes propriétés magnétiques comme le fer et plus grand dans d'autres avec un magnétisme moins évident.

Figure 1. Les dipôles magnétiques sont disposés au hasard à l'intérieur d'un matériau. Source: F. Zapata.

Cependant, en plaçant le matériau au milieu d'un champ magnétique externe, tel que celui produit à l'intérieur d'un solénoïde, les dipôles sont orientés en fonction du champ et le matériau est capable de se comporter comme un aimant (figure 2).

Figure 2. En plaçant un matériau tel qu'une pièce de fer par exemple, à l'intérieur d'un solénoïde traversé par un courant I, le champ magnétique de celui-ci aligne les dipôles dans le matériau. Source: F. Zapata.

Soit M le vecteur d'aimantation, qui est défini comme:

Or, l'intensité de l'aimantation dans le matériau, produit de l'immersion dans le champ extérieur H, est proportionnelle à cela, donc:

M ∝ H

La constante de proportionnalité dépend du matériau, elle est appelée susceptibilité magnétique et est notée χ:

M = χ. H

Les unités de M dans le système international sont ampères / mètres, comme celles de H, donc χ est sans dimension.

Moment magnétique orbital et de spin

Le magnétisme résulte du déplacement de charges électriques, donc pour déterminer le magnétisme de l'atome, il faut prendre en compte les mouvements des particules chargées qui le constituent.

Figure 3. Le mouvement de l'électron autour du noyau contribue au magnétisme avec le moment magnétique orbital. Source: F. Zapata.

En commençant par l'électron, considéré comme en orbite autour du noyau atomique, c'est comme une petite boucle (circuit fermé ou boucle de courant fermée). Ce mouvement contribue au magnétisme de l'atome grâce au vecteur de moment magnétique orbital m, dont la magnitude est:

Où I est l'intensité du courant et A est la zone délimitée par la boucle. Par conséquent, les unités de m dans le système international (SI) sont des ampères x mètre carré.

Le vecteur m est perpendiculaire au plan de la boucle, comme le montre la figure 3, et est dirigé comme indiqué par la règle du pouce droit.

Le pouce est orienté dans le sens du courant et les quatre doigts restants sont enroulés autour de la boucle, pointant vers le haut. Ce petit circuit équivaut à un barreau magnétique, comme le montre la figure 3.

Moment magnétique de rotation

En dehors du moment magnétique orbital, l'électron se comporte comme s'il tournait sur lui-même. Cela ne se produit pas exactement de cette façon, mais l'effet qui en résulte est le même, c'est donc une autre contribution qui doit être prise en compte pour le moment magnétique net d'un atome.

En fait, le moment magnétique de spin est plus intense que le moment orbital et est principalement responsable du magnétisme net d'une substance.

Figure 4. Le moment magnétique de spin est celui qui contribue le plus à la magnétisation nette d'un matériau. Source: F. Zapata.

Les moments de spin s'alignent en présence d'un champ magnétique externe et créent un effet de cascade, s'alignant successivement avec les moments voisins.

Tous les matériaux ne présentent pas de propriétés magnétiques. En effet, les électrons de spin opposé forment des paires et annulent leurs moments magnétiques de spin respectifs.

Ce n'est que s'il y en a qui ne sont pas appariés qu'il y a une contribution au moment magnétique total. Par conséquent, seuls les atomes avec un nombre impair d'électrons ont une chance d'être magnétiques.

Les protons du noyau atomique apportent également une petite contribution au moment magnétique total de l'atome, car ils ont aussi un spin et donc un moment magnétique associé.

Mais cela dépend inversement de la masse, et celle du proton est beaucoup plus grande que celle de l'électron.

Exemples

À l'intérieur d'une bobine, à travers laquelle passe un courant électrique, un champ magnétique uniforme est créé.

Et comme décrit sur la figure 2, lors du placement d'un matériau là-bas, les moments magnétiques de celui-ci s'alignent avec le champ de la bobine. L'effet net est de produire un champ magnétique plus fort.

Les transformateurs, appareils qui augmentent ou diminuent les tensions alternatives, sont de bons exemples. Ils se composent de deux bobines, la primaire et la secondaire, enroulées sur un noyau en fer doux.

Figure 5. Dans le noyau du transformateur, une aimantation nette se produit. Source: Wikimedia Commons.

Un courant changeant est passé à travers la bobine primaire qui modifie en alternance les lignes de champ magnétique à l'intérieur du noyau, qui à son tour induit un courant dans la bobine secondaire.

La fréquence de l'oscillation est la même, mais l'amplitude est différente. De cette manière, des tensions supérieures ou inférieures peuvent être obtenues.

Au lieu d'enrouler les bobines sur un noyau de fer massif, il est préférable de mettre un remplissage de tôles recouvertes de vernis.

La raison est due à la présence de courants de Foucault à l'intérieur du noyau, qui ont pour effet de le surchauffer excessivement, mais les courants induits dans les tôles sont plus faibles, et donc l'échauffement du dispositif est minimisé.

Chargeurs sans fil

Un téléphone portable ou une brosse à dents électrique peut être chargé par induction magnétique, appelée charge sans fil ou charge inductive.

Cela fonctionne de la manière suivante: il y a une base ou une station de charge, qui a un solénoïde ou une bobine principale, à travers laquelle un courant variable est passé. Une autre bobine (secondaire) est fixée au manche de la brosse.

Le courant dans la bobine primaire induit à son tour un courant dans la bobine de la poignée lorsque la brosse est placée dans la station de charge, et cela prend soin de charger la batterie qui se trouve également dans la poignée.

L'amplitude du courant induit est augmentée lorsqu'un noyau de matériau ferromagnétique, qui peut être du fer, est placé dans la bobine principale.

Pour que la bobine primaire détecte la proximité de la bobine secondaire, le système émet un signal intermittent. Une fois qu'une réponse est reçue, le mécanisme décrit est activé et le courant commence à être induit sans avoir besoin de câbles.

Ferrofluides

Les ferrofluides sont une autre application intéressante des propriétés magnétiques de la matière. Ceux-ci sont constitués de minuscules particules magnétiques d'un composé de ferrite, en suspension dans un milieu liquide, qui peut être organique ou même de l'eau.

Les particules sont enrobées d'une substance qui empêche leur agglomération et restent ainsi distribuées dans le liquide.

L'idée est que la fluidité du liquide est combinée au magnétisme des particules de ferrite, qui en elles-mêmes ne sont pas fortement magnétiques, mais acquièrent une aimantation en présence d'un champ externe, comme décrit ci-dessus.

L'aimantation acquise disparaît dès que le champ extérieur est retiré.

Les ferrofluides ont été développés à l'origine par la NASA pour mobiliser du carburant dans un vaisseau spatial sans gravité, donnant une impulsion à l'aide d'un champ magnétique.

Actuellement, les ferrofluides ont de nombreuses applications, certaines encore en phase expérimentale, telles que:

- Réduisez les frottements sur les silencieux des enceintes et des écouteurs (évitez les réverbérations).

- Permet la séparation de matériaux de densité différente.

- Agissent comme des joints sur les arbres des disques durs et repoussent la saleté.

- En tant que traitement du cancer (en phase expérimentale). Le ferrofluide est injecté dans les cellules cancéreuses et un champ magnétique est appliqué qui produit de petits courants électriques. La chaleur générée par ceux-ci attaque les cellules malignes et les détruit.

Références

1. Journal brésilien de physique. Ferrofluides: propriétés et applications. Récupéré de: sbfisica.org.br
2. Figueroa, D. (2005). Série: Physique pour la science et l'ingénierie. Volume 6. Electromagnétisme. Edité par Douglas Figueroa (USB). 215-221.
3. Giancoli, D. 2006. Physique: principes et applications. 6e Ed Prentice Hall. 560-562.
4. Kirkpatrick, L. 2007. Physique: un regard sur le monde. 6e édition abrégée. Apprentissage Cengage. 233.
5. Shipman, J. 2009. Introduction à la science physique. Apprentissage Cengage. 206-208.