Le magnétisme

Ferromagnétisme, antiferromagnétisme, paramagnétisme, diamagnétisme, susceptibilité magnétique, ferrimagnétisme, enfin quoi, le magnétisme...

Paumé(e) devant tous ces termes ? Rassurez-vous, vous n'êtes pas seul(e).

On va essayer de rester basique, ce ne sont que des définitions.

Champ magnétique

Nous avons une source de champ magnétique, que l'on appelle H (c'est un vecteur, mais on s'en fiche, restons simple) qui s'exprime en A/m (Ampère par mètre) qui provoque un champ magnétique B qui s'exprime en T (Tesla) (oui, comme les voitures, mais ça n'a rien à voir).

Les scientifiques aiment bien utiliser les lettres H et B, et vaut mieux éviter d'en changer sinon ils sont perdus (mais ce ne sont que des conventions, des symboles, vous pouvez faire suer en utilisant d'autres lettres).

Par exemple, le noyau de la Terre (du fer en fusion) est une source de champ magnétique, et on observe l'effet de cette source avec une boussole à la surface de la Terre, c'est le champ magnétique terrestre (vous devez connaitre ça) qui ne vaut pas bien lourd, 47 µT (microTesla). D'ailleurs, il est tellement petit que l'on utilise parfois une vieille unité, le gauss qui vaut 10-4 T, et très rarement l'œrsted Oe pour la source de champ H qu'on oubliera. Le champ magnétique terrestre vaut alors un peu moins d'un demi-gauss ça fait alors moins riquiqui.

Suivant la nature du matériau traversé par le champ magnétique, H (la source) et B (le champ magnétique) sont reliés par une constante traditionnellement désignée par μ (mu) appelée perméabilité (magnétique, mais on l'écrit rarement):

B = μ H

Lorsque l'on est dans le vide, elle s'appelle μ0 c'est la perméabilité magnétique du vide qui vaut 4π10-7 TA/m (Tesla Ampère par mètre):

B = μ0 H
Et si le matériau est lui-même source de champ magnétique ?
C'est là qu'on commence à prendre de l'aspirine.
On introduit un nouveau terme, M, pour bien montrer cette contribution.
B = μ H = μ0 (H + M)
Bon, et bien ça va, j'arrive à suivre.
M est la magnétisation du matériau, sa contribution au champ magnétique.
On définit alors la perméabilité relative μr du matériau.
μr = μ / μ0

Susceptibilité

Si on a presque 1, alors c'est que le matériau se comporte comme le vide.
Presque 1 ?
Le presque est souvent ennuyeux, car beaucoup de matériaux sont proches de 1, et ce n'est pas facile à manipuler, car ça fait des zéros après la virgule, genre 1,00000123
Alors, on fait comment ? On se coltine des valeurs pénibles à écrire ?
Rhooh ben non. Les chercheurs sont des feignasses, ils font tout pour en faire le moins possible (et là, ils sont malins) alors ils ont défini la susceptibilité magnétique.
T'es susceptible ? Toi ? 😁
Ouais, peut-être un peu 😝
La susceptibilité est traditionnellement désigné avec la lettre grecque χ (xhi).
χ = M / H
μr = 1 + χ
Ah oui, pas mal, on met "1" de côté.
Et en plus, cela permet de faire des catégories.

Dia, para, ferro...

Le signe et la magnitude de χ définissent différentes classes :

  • χ < 0 : diamagnétique. La susceptibilité des matériaux diamagnétiques est toujours petite, sauf dans un cas notoire, les supraconducteurs, où elle vaut -1, le champ est alors nul dans le matériau, autrement dit le matériau expulse le champ magnétique. Un supraconducteur peut léviter, il est repoussé par un champ magnétique ! Un diamagnétique aussi, mais les valeurs sont extrêmement petites, alors l'effet est très faible.
  • χ > 0 et petite (10-5 à 10-2) et indépendante du champ extérieur : paramagnétique. Le matériau est légèrement attiré vers le champ magnétique extérieur. Pour rendre les choses confuses, les matériaux paramagnétiques sont aussi diamagnétiques, mais cet effet est totalement masqué par le paramagnétisme.
  • χ > 0 et grande (10-2 à 106) et dépendante du champ extérieur: ferromagnétique. Le matériau est très fortement attiré vers le champ magnétique extérieur.

L'agitation thermique vient mettre la zone dans tout ça: à partir d'une certaine température, la température dite de Curie, la susceptibilité peut diminuer fortement. Par exemple, un matériau ferromagnétique devient paramagnétique. C'est le coup du clou en fer attiré par un aimant, mais si on le chauffe, alors il n'est plus attiré.

Les ferromagnétiques présentent une saturation en fonction du champ extérieur appliqué. On observe alors les fameuses boucles d'hystérésis. Pour les ferromagnétiques doux, la boucle est étroite, pour les ferromagnétiques durs, elle est large, c'est avec ceux-là qu'on réalise les aimants, car il reste alors une magnétisation rémanente importante. Cette boucle d'hystérésis est à la base des mémoires magnétiques.

Il existe aussi les matériaux anti-ferromagnétiques où chaque couche voit ses moments magnétiques s'aligner de manière opposée, l'une après l'autre, conduisant à une susceptibilité quasi-nulle.

Les matériaux ferrimagnétiques (notez ferri, pas ferro) sont du même tonneau que les anti-ferromagnétiques, sauf que l'alternance des couches est très inégale, l'une est plus forte que l'autre, et il reste alors une magnétisation spontanée (= ce sont des aimants) (par exemple la magnétique Fe3O4).

Vous trouverez quelques explications supplémentaires concernant la polarisation, l'hystérésis et autres champs coercitifs dans les pages sur l'électrocalorique.

Voilà pour le bestiaire. Chaque catégorie présente des propriétés intéressantes, et c'est un très très vaste domaine !