Les propriétés magnétiques d'un matériau sont une classe de phénomènes physiques médiés par des champs. Les courants électriques et les moments magnétiques des particules élémentaires génèrent un champ qui agit sur d'autres courants. Les effets les plus connus se produisent dans les matériaux ferromagnétiques, qui sont fortement attirés par les champs magnétiques et peuvent devenir magnétisés en permanence, créant eux-mêmes les champs chargés.
Seules quelques substances sont ferromagnétiques. Pour déterminer le niveau de développement de ce phénomène dans une substance particulière, il existe une classification des matériaux en fonction des propriétés magnétiques. Les plus courants sont le fer, le nickel et le cob alt et leurs alliages. Le préfixe ferro- fait référence au fer car le magnétisme permanent a été observé pour la première fois dans le fer vide, une forme de minerai de fer naturel appelé les propriétés magnétiques du matériau, Fe3O4.
Matériaux paramagnétiques
Bien quele ferromagnétisme est responsable de la plupart des effets du magnétisme rencontrés dans la vie de tous les jours, tous les autres matériaux sont affectés par le champ dans une certaine mesure, ainsi que certains autres types de magnétisme. Les substances paramagnétiques telles que l'aluminium et l'oxygène sont faiblement attirées par un champ magnétique appliqué. Les substances diamagnétiques telles que le cuivre et le carbone se repoussent faiblement.
Alors que les matériaux antiferromagnétiques tels que le chrome et les verres de spin ont une relation plus complexe avec le champ magnétique. La force d'un aimant sur des matériaux paramagnétiques, diamagnétiques et antiferromagnétiques est généralement trop faible pour être ressentie et ne peut être détectée que par des instruments de laboratoire, de sorte que ces substances ne sont pas incluses dans la liste des matériaux qui ont des propriétés magnétiques.
Conditions
L'état magnétique (ou la phase) d'un matériau dépend de la température et d'autres variables telles que la pression et le champ magnétique appliqué. Un matériau peut présenter plus d'une forme de magnétisme lorsque ces variables changent.
Histoire
Les propriétés magnétiques d'un matériau ont été découvertes pour la première fois dans le monde antique lorsque les gens ont remarqué que les aimants, des morceaux de minéraux naturellement magnétisés, pouvaient attirer le fer. Le mot "aimant" vient du terme grec Μαγνῆτις λίθος magnétis lithos, "pierre magnésienne, pierre de pied".
Dans la Grèce antique, Aristote a attribué la première de ce qu'on pourrait appeler une discussion scientifique sur les propriétés magnétiques des matériaux,philosophe Thalès de Milet, qui vécut à partir de 625 av. e. avant 545 avant JC e. L'ancien texte médical indien Sushruta Samhita décrit l'utilisation de la magnétite pour éliminer les flèches incrustées dans le corps humain.
Chine ancienne
Dans la Chine ancienne, la première référence littéraire aux propriétés électriques et magnétiques des matériaux se trouve dans un livre du IVe siècle av. J.-C. nommé d'après son auteur, Le Sage de la vallée des fantômes. La première mention de l'attraction de l'aiguille se trouve dans l'œuvre du 1er siècle Lunheng (Requêtes équilibrées): "L'aimant attire l'aiguille."
Le scientifique chinois du 11ème siècle Shen Kuo a été la première personne à décrire - dans le Dream Pool Essay - une boussole magnétique avec une aiguille et qu'elle améliorait la précision de la navigation grâce à des méthodes astronomiques. concept de vrai nord. Au 12ème siècle, les Chinois étaient connus pour utiliser la boussole magnétique pour la navigation. Ils ont façonné la cuillère-guide en pierre de sorte que le manche de la cuillère pointe toujours vers le sud.
Moyen Âge
Alexander Neckam, en 1187, fut le premier en Europe à décrire la boussole et son utilisation pour la navigation. Ce chercheur a établi pour la première fois en Europe de manière approfondie les propriétés des matériaux magnétiques. En 1269, Peter Peregrine de Maricourt écrivit l'Epistola de magnete, le premier traité survivant décrivant les propriétés des aimants. En 1282, les propriétés des boussoles et des matériaux aux propriétés magnétiques particulières ont été décrites par al-Ashraf, un physicien, astronome et géographe yéménite.
Renaissance
En 1600, William Gilbert publieson "Magnetic Corpus" et "Magnetic Tellurium" ("Sur l'aimant et les corps magnétiques, et aussi sur le grand aimant terrestre"). Dans cet article, il décrit plusieurs de ses expériences avec sa terre modèle, appelée terrella, avec laquelle il a mené des recherches sur les propriétés des matériaux magnétiques.
De ses expériences, il est arrivé à la conclusion que la Terre elle-même est magnétique et que c'est pourquoi les boussoles pointaient vers le nord (auparavant, certains croyaient qu'il s'agissait de l'étoile polaire (Polaris) ou d'une grande île magnétique au nord Pôle qui a attiré la boussole).
Nouvelle heure
La compréhension de la relation entre l'électricité et les matériaux dotés de propriétés magnétiques particulières est apparue en 1819 dans les travaux de Hans Christian Oersted, professeur à l'Université de Copenhague, qui a découvert en secouant accidentellement une aiguille de boussole près d'un fil qu'un courant peut créer un champ magnétique. Cette expérience historique est connue sous le nom d'expérience d'Oersted. Plusieurs autres expériences suivirent avec André-Marie Ampère, qui découvrit en 1820 qu'un champ magnétique circulant dans un chemin fermé était lié à un courant circulant autour du périmètre du chemin.
Carl Friedrich Gauss était engagé dans l'étude du magnétisme. Jean-Baptiste Biot et Félix Savart proposent en 1820 la loi de Biot-Savart qui donne l'équation recherchée. Michael Faraday, qui a découvert en 1831 qu'un flux magnétique variant dans le temps à travers une boucle de fil provoquait une tension. Et d'autres scientifiques ont découvert d'autres liens entre le magnétisme et l'électricité.
XXe siècle et notretemps
James Clerk Maxwell a synthétisé et étendu cette compréhension des équations de Maxwell en unifiant l'électricité, le magnétisme et l'optique dans le domaine de l'électromagnétisme. En 1905, Einstein a utilisé ces lois pour motiver sa théorie de la relativité restreinte en exigeant que les lois soient vraies dans tous les référentiels inertiels.
L'électromagnétisme a continué d'évoluer au XXIe siècle, étant intégré aux théories plus fondamentales de la théorie de jauge, de l'électrodynamique quantique, de la théorie électrofaible et enfin du modèle standard. De nos jours, les scientifiques étudient déjà les propriétés magnétiques des matériaux nanostructurés avec force et force. Mais les découvertes les plus grandes et les plus étonnantes dans ce domaine sont probablement encore devant nous.
Essence
Les propriétés magnétiques des matériaux sont principalement dues aux moments magnétiques des électrons orbitaux de leurs atomes. Les moments magnétiques des noyaux atomiques sont généralement des milliers de fois plus petits que ceux des électrons, et sont donc négligeables dans le contexte de l'aimantation des matériaux. Les moments magnétiques nucléaires sont néanmoins très importants dans d'autres contextes, notamment en résonance magnétique nucléaire (RMN) et en imagerie par résonance magnétique (IRM).
Habituellement, le grand nombre d'électrons dans un matériau est disposé de telle manière que leurs moments magnétiques (à la fois orbitaux et internes) sont annulés. Dans une certaine mesure, cela est dû au fait que les électrons se combinent par paires avec des moments magnétiques intrinsèques opposés en raison du principe de Pauli (voir Configuration des électrons) et se combinent en sous-couches remplies avec un mouvement orbital net nul.
BDans les deux cas, les électrons utilisent majoritairement des circuits dans lesquels le moment magnétique de chaque électron est annulé par le moment opposé de l'autre électron. De plus, même lorsque la configuration électronique est telle qu'il y a des électrons non appariés et/ou des sous-couches non remplies, il arrive souvent que différents électrons dans un solide contribuent à des moments magnétiques qui pointent dans des directions différentes et aléatoires, de sorte que le matériau ne sera pas magnétique.
Parfois, spontanément ou en raison d'un champ magnétique externe appliqué, chacun des moments magnétiques des électrons s'alignera en moyenne. Le bon matériau peut alors créer un puissant champ magnétique net.
Le comportement magnétique d'un matériau dépend de sa structure, en particulier de sa configuration électronique, pour les raisons évoquées plus haut, mais aussi de la température. À des températures élevées, le mouvement thermique aléatoire rend difficile l'alignement des électrons.
Diamagnétisme
Le diamagnétisme se retrouve dans tous les matériaux et est la tendance d'un matériau à résister à un champ magnétique appliqué et donc à repousser le champ magnétique. Cependant, dans un matériau aux propriétés paramagnétiques (c'est-à-dire ayant tendance à renforcer un champ magnétique externe), le comportement paramagnétique domine. Ainsi, malgré l'occurrence universelle, le comportement diamagnétique n'est observé que dans un matériau purement diamagnétique. Il n'y a pas d'électrons non appariés dans un matériau diamagnétique, de sorte que les moments magnétiques intrinsèques des électrons ne peuvent pas créern'importe quel effet de volume.
Veuillez noter que cette description est conçue comme une heuristique uniquement. Le théorème de Bohr-Van Leeuwen montre que le diamagnétisme est impossible selon la physique classique, et qu'une compréhension correcte nécessite une description mécanique quantique.
Notez que tous les matériaux passent par cette réponse orbitale. Cependant, dans les substances paramagnétiques et ferromagnétiques, l'effet diamagnétique est supprimé par des effets beaucoup plus forts causés par des électrons non appariés.
Il y a des électrons non appariés dans un matériau paramagnétique; c'est-à-dire des orbitales atomiques ou moléculaires contenant exactement un électron. Alors que le principe d'exclusion de Pauli exige que les électrons appariés aient leurs propres moments magnétiques ("spin") pointant dans des directions opposées, provoquant l'annulation de leurs champs magnétiques, un électron non apparié peut aligner son moment magnétique dans les deux sens. Lorsqu'un champ externe est appliqué, ces moments auront tendance à s'aligner dans la même direction que le champ appliqué, le renforçant.
Ferromagnétiques
Un ferromagnétique, en tant que substance paramagnétique, possède des électrons non appariés. Cependant, en plus de la tendance du moment magnétique intrinsèque des électrons à être parallèle au champ appliqué, il existe également dans ces matériaux une tendance pour ces moments magnétiques à s'orienter parallèlement les uns aux autres afin de maintenir un état de réduction énergie. Ainsi, même en l'absence d'un domaine appliquéles moments magnétiques des électrons dans le matériau s'alignent spontanément parallèlement les uns aux autres.
Chaque substance ferromagnétique a sa propre température, appelée température de Curie, ou point de Curie, au-dessus de laquelle elle perd ses propriétés ferromagnétiques. En effet, la tendance thermique au désordre l'emporte sur la réduction d'énergie due à l'ordre ferromagnétique.
Le ferromagnétisme ne se produit que dans quelques substances; le fer, le nickel, le cob alt, leurs alliages et certains alliages de terres rares sont courants.
Les moments magnétiques des atomes dans un matériau ferromagnétique les font se comporter comme de minuscules aimants permanents. Ils se collent et se combinent en petites régions d'alignement plus ou moins uniforme appelées domaines magnétiques ou domaines de Weiss. Les domaines magnétiques peuvent être observés à l'aide d'un microscope à force magnétique pour révéler les limites des domaines magnétiques qui ressemblent à des lignes blanches dans un croquis. Il existe de nombreuses expériences scientifiques qui peuvent physiquement montrer des champs magnétiques.
Rôle des domaines
Lorsqu'un domaine contient trop de molécules, il devient instable et se divise en deux domaines alignés dans des directions opposées pour se coller ensemble de manière plus stable, comme indiqué à droite.
Lorsqu'elles sont exposées à un champ magnétique, les limites des domaines se déplacent de sorte que les domaines magnétiquement alignés se développent et dominent la structure (zone jaune pointillée), comme indiqué à gauche. Lorsque le champ magnétisant est supprimé, les domaines peuvent ne pas revenir à un état non magnétisé. Cela mène àparce que le matériau ferromagnétique est magnétisé, formant un aimant permanent.
Lorsque l'aimantation était suffisamment forte pour que le domaine dominant chevauche tous les autres, conduisant à la formation d'un seul domaine séparé, le matériau était magnétiquement saturé. Lorsqu'un matériau ferromagnétique magnétisé est chauffé à la température du point de Curie, les molécules se mélangent au point où les domaines magnétiques perdent leur organisation et les propriétés magnétiques qu'ils provoquent cessent. Lorsque le matériau est refroidi, cette structure d'alignement de domaine revient spontanément, à peu près de la même manière qu'un liquide peut geler en un solide cristallin.
Antiferromagnétiques
Dans un antiferromagnétique, contrairement à un ferromagnétique, les moments magnétiques intrinsèques des électrons de valence voisins ont tendance à pointer dans des directions opposées. Lorsque tous les atomes sont disposés dans une substance de sorte que chaque voisin soit antiparallèle, la substance est antiferromagnétique. Les antiferromagnétiques ont un moment magnétique net de zéro, ce qui signifie qu'ils ne créent pas de champ.
Les antiferromagnétiques sont plus rares que les autres types de comportement et sont le plus souvent observés à basse température. À différentes températures, les antiferromagnétiques présentent des propriétés diamagnétiques et ferromagnétiques.
Dans certains matériaux, les électrons voisins préfèrent pointer dans des directions opposées, mais il n'y a pas d'arrangement géométrique dans lequel chaque paire de voisins est anti-alignée. C'est ce qu'on appelle le verre tournant etest un exemple de frustration géométrique.
Propriétés magnétiques des matériaux ferromagnétiques
Comme le ferromagnétisme, les ferrimagnétiques conservent leur aimantation en l'absence de champ. Cependant, comme les antiferromagnétiques, les paires adjacentes de spins d'électrons ont tendance à pointer dans des directions opposées. Ces deux propriétés ne se contredisent pas car, dans une disposition géométrique optimale, le moment magnétique d'un sous-réseau d'électrons pointant dans la même direction est supérieur à celui d'un sous-réseau pointant dans la direction opposée.
La plupart des ferrites sont ferrimagnétiques. Les propriétés magnétiques des matériaux ferromagnétiques sont aujourd'hui considérées comme indéniables. La première substance magnétique découverte, la magnétite, est une ferrite et on pensait à l'origine qu'il s'agissait d'un ferromagnétique. Cependant, Louis Neel a réfuté cela en découvrant le ferrimagnétisme.
Lorsqu'un ferromagnétique ou un ferrimagnétique est suffisamment petit, il agit comme un seul spin magnétique soumis au mouvement brownien. Sa réponse à un champ magnétique est qualitativement similaire à celle d'un paramagnétique, mais bien plus.
Électroaimants
Un électroaimant est un aimant dans lequel un champ magnétique est créé par un courant électrique. Le champ magnétique disparaît lorsque le courant est coupé. Les électroaimants sont généralement constitués d'un grand nombre de spires de fil étroitement espacées qui créent un champ magnétique. Les bobines de fil sont souvent enroulées autour d'un noyau magnétique en matériau ferromagnétique ou ferrimagnétique.un matériau tel que le fer; le noyau magnétique concentre le flux magnétique et crée un aimant plus puissant.
Le principal avantage d'un électroaimant par rapport à un aimant permanent est que le champ magnétique peut être rapidement modifié en contrôlant la quantité de courant électrique dans l'enroulement. Cependant, contrairement à un aimant permanent, qui ne nécessite pas d'alimentation, un électroaimant nécessite une alimentation continue en courant pour maintenir le champ magnétique.
Les électro-aimants sont largement utilisés comme composants d'autres appareils électriques tels que les moteurs, les générateurs, les relais, les solénoïdes, les haut-parleurs, les disques durs, les appareils d'IRM, les instruments scientifiques et les équipements de séparation magnétique. Les électro-aimants sont également utilisés dans l'industrie pour saisir et déplacer des objets lourds en fer tels que la ferraille et l'acier. L'électromagnétisme a été découvert en 1820. Au même moment, la première classification des matériaux selon leurs propriétés magnétiques est publiée.
