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Présentation

magnétisme (physique), branche de la physique qui étudie les corps aimantés.

La plupart des matériaux subissent une aimantation temporaire sous l'action d'un champ magnétique extérieur. Celui-ci s'exerce sur les particules chargées en mouvement qui constituent les atomes du matériau. Certaines substances sont douées au contraire d'une forte aimantation permanente comme la magnétite, appelée aussi pierre d'aimant.

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Historique

Le phénomène du magnétisme est connu depuis l'Antiquité. Les Grecs, les Romains et les Chinois avaient remarqué que l'oxyde de fer magnétique, la magnétite, avait la faculté d'attirer les objets contenant du fer. Ils avaient également constaté qu'un morceau de fer mis en contact avec la magnétite acquérait la même propriété. Au XI^e siècle, les Arabes appliquèrent le magnétisme à la navigation en inventant la boussole. Mais c'est seulement en 1600 qu'une étude scientifique sur le magnétisme fut réalisée par William Gilbert. Dans son ouvrage intitulé De magnete magneticisque corporibus et de magno magnete tellure, il montra que la Terre elle-même se comporte comme un aimant géant, distingua attraction magnétique et attraction électrique, et découvrit que le fer perd son pouvoir d'aimantation lorsqu'il est chauffé au rouge. À la fin du XVIII^e siècle, Charles Augustin de Coulomb effectua les premières études quantitatives, mesurant les forces qui s'exercent entre deux charges magnétiques. Il établit que ces forces sont inversement proportionnelles au carré de la distance qui sépare les charges.

En 1820, Hans Ørsted observa qu'une aiguille magnétique est déviée par un courant électrique traversant un fil conducteur. Cette découverte, qui reliait électricité et magnétisme, fut à la base de la théorie de l'électromagnétisme, élaborée par André-Marie Ampère puis par James Maxwell. En 1880, le physicien allemand Emil Warburg découvrit le phénomène d'hystérésis, qui correspond à un retard des variations de l'aimantation d'une substance ferromagnétique avec celles du champ magnétique appliqué. En 1895, Pierre Curie montra que les propriétés magnétiques des corps dépendent de leur température, étude qui fut complétée dix ans plus tard par la théorie de Paul Langevin, fondée sur la structure atomique de la matière. Cette théorie fut ensuite parachevée par Pierre Weiss qui introduisit le concept d'un champ magnétique moléculaire, champ fictif situé entre les atomes.

L'étude de la matière à l'échelle atomique permit alors d'explorer plus en détail le phénomène du magnétisme. Niels Bohr expliqua ainsi à l'aide de la classification périodique pourquoi le magnétisme apparaît chez les éléments de transition, tels que le fer et les lanthanides, ou les agrégats contenant ces éléments. En 1925, les physiciens américains Samuel Abraham Goudsmit et George Eugene Uhlenbeck montrèrent que l'électron lui-même se comporte comme un petit aimant.

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Champ magnétique

Des objets tels qu'une barre aimantée ou un élément de circuit électrique produisent un champ magnétique qui s'exprime à l'aide d'un vecteur, souvent noté dont l'unité de mesure est le tesla (symbole T). On peut le représenter par des lignes de champ, qui indiquent la direction du champ en tout point. En outre, plus les lignes de champ sont rapprochées, plus le champ est intense dans la zone considérée.

On peut facilement déterminer la configuration des lignes de champ d'un aimant à l'aide de limaille de fer ou d'une boussole. Dans le premier cas, on place l'aimant sur une feuille de papier sur laquelle on éparpille de la limaille de fer. Cette dernière se positionne alors le long des lignes de champ, révélant ainsi leur structure. On peut également utiliser une boussole, petit aimant qui a tendance à s'orienter de lui-même dans le sens des lignes de champ. En plaçant cette boussole à divers endroits de la source du champ magnétique et en notant à chaque fois la direction de l'aiguille, on peut alors en déduire la structure des lignes de champ. Dans le cas d'une barre aimantée, les lignes de champ émergent d'un pôle et se courbent pour rentrer dans l'autre. Les lignes de champ sont plus denses dans la zone des pôles, correspondant à la région où le champ magnétique est le plus élevé.

Un champ magnétique agit sur les substances magnétiques et sur les particules chargées en mouvement. Lorsqu'une particule chargée se déplace dans un champ magnétique, elle est soumise à une force perpendiculaire à la direction de son déplacement et à celle du champ. Si la particule a une charge q, une vitesse  et qu'elle est soumise à un champ magnétique , la force  qui s'exerce sur cette particule s'écrit :

(voir Vecteur pour la définition du produit vectoriel de par ).

Puisque la force est toujours perpendiculaire au déplacement, une particule se déplace donc dans un champ magnétique sur une trajectoire courbe. C'est pourquoi on utilise les champs magnétiques pour contrôler les trajectoires des particules chargées dans des appareils tels que les accélérateurs de particules et les spectromètres de masse.

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Types de magnétisme

Toutes les substances aimantées peuvent être considérées comme des dipôles magnétiques, systèmes constitués de deux masses magnétiques égales de signe contraire + m et - m. On définit alors le moment magnétique d'un corps aimanté comme le vecteur  , où est le vecteur reliant la masse négative à la masse positive. Les scientifiques estiment que l'électron lui-même se comporte comme un dipôle et qu'il possède donc un moment magnétique intrinsèque.

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Diamagnétisme

En général, les électrons appartenant aux atomes d'une substance se regroupent par paires, annulant leurs moments magnétiques respectifs, si bien que les atomes de la plupart des corps ne possèdent pas de moment magnétique permanent. Ces substances sont dites diamagnétiques et ne s'aimantent qu'en présence d'un champ magnétique extérieur. Elles induisent dans ce cas un moment magnétique opposé à la direction du champ magnétique, ce qui explique pourquoi les corps diamagnétiques se trouvent repoussés par les aimants. Parmi les substances affichant un diamagnétisme élevé, on peut citer le bismuth métallique et les molécules organiques comme le benzène.

Il existe cependant des corps comme les métaux de transition (fer, nickel, cobalt, etc.) ou les lanthanides, dont les atomes possèdent des moments magnétiques permanents, en raison de leur structure électronique particulière. Ces matériaux peuvent être paramagnétiques, ferromagnétiques, ferrimagnétiques, ou antiferromagnétiques.

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Paramagnétisme

Les substances paramagnétiques ne possèdent pas d'aimantation en l'absence de champ magnétique extérieur, car les moments magnétiques de leurs atomes s'orientent au hasard, si bien que le moment magnétique résultant est nul. Placés dans un champ magnétique, ces corps comme l'oxygène ou le platine acquièrent une faible aimantation dans le même sens que le champ. Ils sont donc attirés par les aimants.

3.

Ferromagnétisme

Les matériaux ferromagnétiques comme le fer ou certains de ses alliages présentent une aimantation permanente même en l'absence de champ magnétique extérieur, car les moments magnétiques de leurs atomes s'alignent tous dans la même direction et dans le même sens. Cette structure ordonnée confère à la substance ferromagnétique un moment magnétique total élevé ; c'est pourquoi on utilise ce type de matériau dans l'industrie pour réaliser des aimants permanents.

Lorsqu'elles sont chauffées, les substances ferromagnétiques perdent leurs propriétés magnétiques et se transforment en matériaux paramagnétiques. Cette perte devient complète au-dessus d'une certaine température, caractéristique de la substance considérée. Cette température s'appelle la température de Curie, en hommage à Pierre Curie qui la découvrit en 1895. La température de Curie du fer métallique est d'environ 770 °C.

4.

Ferrimagnétisme

Les corps ferrimagnétiques représentés par les ferrites, famille d'oxydes de fer particuliers, ont des propriétés similaires aux substances ferromagnétiques : ils possèdent une aimantation résultante non nulle en l'absence de champ magnétique extérieur et sont donc considérés comme des aimants. Leur structure cristalline est divisée en deux réseaux caractérisés chacun par un moment magnétique différent, la somme de ces deux moments étant non nulle. Contrairement aux matériaux ferromagnétiques, les corps ferrimagnétiques sont des isolants électriques, ce qui les rend très intéressants dans l'industrie, notamment en radioélectricité. La magnétite fait partie des substances ferrimagnétiques.

5.

Antiferromagnétisme

Les corps antiferromagnétiques tels que l'oxyde ferreux FeO ou le chrome peuvent être considérés comme des substances ferrimagnétiques particulières, pour lesquelles les moments des deux réseaux cristallins sont égaux et opposés. En conséquence, l'aimantation magnétique résultante est nulle. Il existe une température analogue à la température de Curie, appelée température de Néel, au-dessus de laquelle la substance antiferromagnétique devient paramagnétique.

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Hystérésis

D'une manière générale, un système présente de l'hystérésis si ses propriétés à un instant donné dépendent non seulement des paramètres qui le décrivent à cet instant, mais également de son état antérieur. Les matériaux ferrimagnétiques et ferromagnétiques sont sujets à l'hystérésis : lorsque le champ magnétique extérieur est supprimé, l'aimantation du matériau ne revient pas à sa valeur initiale.

Lorsque le corps ne présente pas ou peu d'hystérésis, il est appelé matériau magnétique mou. On emploie ce type de substance dans les mécanismes utilisant le courant alternatif, afin de limiter les pertes d'énergie à chaque cycle. Si le corps affiche une forte hystérésis, il est dit matériau magnétique dur. On utilise ces matériaux pour la fabrication d'aimants permanents, car ils perdent difficilement leur aimantation.

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Applications

Depuis un siècle, le magnétisme a connu diverses applications dans de nombreux domaines de l'industrie. Ainsi, en électricité, l'électroaimant est l'un des composants fondamentaux du moteur électrique et du transformateur. En informatique, on conçoit aujourd'hui des mémoires d'ordinateur à l'aide de bulles magnétiques, domaines magnétisés minuscules dont l'orientation magnétique correspond au « 0 » ou au « 1 » de la notation binaire des ordinateurs. On emploie également les substances magnétiques comme supports de stockage de données. L'industrie ferroviaire a également utilisé le magnétisme pour fabriquer des trains à lévitation magnétique, même si actuellement l'avenir de ces prototypes demeure incertain. En médecine, l'imagerie à résonance magnétique nucléaire (IRM), qui fait appel à de puissants champs magnétiques, constitue un outil précieux de diagnostic. En physique des particules, on équipe les accélérateurs d'énormes électroaimants afin de confiner les particules accélérées sur une trajectoire courbe.