Aimantation

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Cette page a pour optique de présenter brièvement le principe théorique d'aimantation à travers les concepts de magnétisme, de diamagnétisme et de ferromagnétisme.

1 Introduction

Le modèle physique actuel permet de décrire les plus grands phénomènes de notre Univers à travers quatre interactions fondamentales : la gravitation, l'interaction nucléaire faible, l'interaction nucléaire forte, et l'interaction électromagnétique.
Si les trois premières interactions s'apprécient dans des ordres de grandeurs extrêmes, allant d'infiniment grand, à infiniment petit, l'interaction électromagnétique conduit à des observations facilement accessibles pour le commun des mortels.
Ainsi, on observe dès l'antiquité les propriétés d'attractions intrinsèques de certains métaux comme la magnétite, utilisé alors comme composant principale des boussoles. Ces propriétés de la matière sont associées au concept d'aimantation qui, de nos jours, trouve une multitude d'applications, mais qui pendant longtemps est resté obscur.
En effet, il a fallu attendre la fin du XIX, début du XX et les découvertes physique sur la structure de la matière ainsi que les différentes avancées en physique quantique pour obtenir un modèle satisfaisant décrivant le phénomène de la magnétisation. En conséquence, on sait aujourd'hui que le phénomène d'aimantation d'un matériau découle du mouvement et du spin des particules élémentaires le composant, mais aussi, à un niveau plus macroscopique, de la forme du matériau et de l'orientation de son réseau cristallin (si réseau il y a).

2 Magnétisme

Jusqu'au début du XIX le magnétisme n'était principalement connu que grâce au aimants naturels, constitués de différents alliages, le plus souvent de la magnétite.
À partir de 1820 (expérience de Hans Christian Oersted sur des boussoles), on découvre que le mouvement des charges électriques (généralement un courant dans un l conducteur) génère un champ magnétique et, en 1873, James Maxwell formalise les découvertes du XIX avec sa théorie de l'électromagnétisme.
Si les champs magnétiques induits par des champs électriques macroscopiques sont désormais modélisés, il reste peu intuitif d'associer ce phénomène aux aimants permanents qui, en apparence, ne sont pas parcourus par un quelconque courant ou champ électrique. Pourtant, c'est bel est bien les charges électriques qui sont à l'origine du magnétisme de certains matériaux, néanmoins le phénomène est quantique et s'apprécie dans des dimensions nanométriques. On définit ainsi plusieurs types de matériaux, dont les propriétés magnétiques dépendent étroitement de leur composition physique.

3 Diamagnétisme

Les matériaux diamagnétiques sont des matériaux qui ont tendance, lorsqu'il sont soumis à un champ extérieur (disons B~ 0), à générer un champ magnétique opposé au champ externe. Généralement, le champ ainsi produit est très faible et le phénomène est uniquement visible pour des valeurs de B~ 0 importantes.
Pour mieux comprendre le phénomène, on peut symboliser de manière grossière les atomes constituant un matériau diamagnétique : on considère donc que ces atomes simplifiés sont composés d'un noyau positif autour duquel se meut un électron sur une orbite circulaire de rayon r, à une vitesse v.
Ainsi, on peut assimiler la trajectoire de l'électron à une spire de courant, conduisant à la création d'un moment magnétique, notons ~m, dont la direction est déterminé par la règle de la main droite.
Lorsque l'on place notre matériau dans un champ B~ 0, le ux magnétique traversant la "spire" induit une force électromotrice (généralement noté ε) qui s'oppose au mouvement de l'électron et conduit à une diminution du moment magnétique, diminution qui peut être symbolisé vectorielle et interprété physiquement par la production d'un champ magnétique dans le matériau, opposé à B0.

4 Ferromagnétisme

Si des valeurs de la susceptibilité magnétique de l'ordre de 10^−5 caractérisent les matériaux paramagnétiques et diamagnétiques, on peut trouver dans la littérature des valeurs de χ allant de 200 (fer) jusqu'à 1000. De tels matériaux sont appelés ferromagnétiques.
Ils sont caractérisés par le fait qu'ils conservent leur magnétisation en dépit de l'absence de champ magnétique extérieur. Ce phénomène est dû à l'alignement des domaines de Weiss, qui correspondent à des zones de même orientation des moments magnétiques. En temps normal (quand le matériau ferromagnétique ne produit pas de champs et n'est soumis à aucun champ) les domaines sont orientés aléatoirement de sorte que la magnétisation globale du matériau est nulle.
Lorsque l'on soumet le ferromagnétique à un champ magnétique constant, les domaines s'orientent peu à peu dans le sens du champ externe suivant son intensité. Lorsque tout les domaines sont alignés, il y a saturation et on a atteint l'aimantation maximal du matériau ; si l'on retire le champ extérieur, les domaines de Weiss restent orientés et on obtient un aimant permanent. Cette capacité à conserver les traces d'un passé magnétique conduit à l'observation de l'hystérèse magnétique.

5 Liens

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