Étude des milieux aimantés.

C’est le philosophe ionien Thalès de Milet qui, au cours du vi^e s. avant notre ère, aurait le premier signalé les étranges propriétés d’une pierre que l’on trouvait en Magnésie, région côtière à l’ouest de la Thessalie, habitée par les Magnètes ; d’où son nom de magnétite. Cette pierre était susceptible d’attirer le fer ou des pierres de même espèce. Platon savait que la vertu attractive de la magnétite, ou pierre d’aimant, se communiquait au fer ; il décrivit des chaînes de cinq anneaux de fer formant une file suspendue au-dessous d’un morceau de magnétite et se balançant au moindre souffle de l’air. Lucrèce savait aussi que ces aimants pouvaient se repousser.

L’Antiquité et le Moyen Âge attribuaient aux aimants des pouvoirs magiques et des vertus médicinales. On croyait aussi que les blessures faites par les armes aimantées étaient plus dangereuses que les autres. Le compilateur Djābir ibn Ḥayyān indique que l’aimant perd son pouvoir d’attirer le fer sous l’action de l’ail et le regagne sous l’action du sang de chevreuil. Des croyances de ce genre n’ont pas encore complètement disparu de nos jours. Une confusion s’est aussi souvent introduite avec le magnétisme animal inventé par Paracelse (v. 1493-1541), qui connut avec Franz Anton Mesmer (1734-1815) à la fin du xviii^e s. une formule prodigieuse.

L’application des aiguilles aimantées à la navigation est probablement due aux Arabes et remonte au xi^e s. : elle n’est donc pas aussi ancienne qu’on le croit généralement. La première mention écrite de leur propriété d’indiquer le nord se trouve chez Shen Gua (Chen koua) [1030-1093], et c’est seulement peu après que Chu Yu (Tchou yu) en parle comme une technique introduite en Chine en 1100 par des marins étrangers, probablement des Indo-Malais ou des Arabes.

C’est à un moine picard du xiii^e s., Pierre le Pèlerin de Maricourt ou Peter Peregrinus, qu’on doit la première étude scientifique de la pierre d’aimant. Dans une fameuse lettre datée de 1269, il définit les pôles, donne les lois qualitatives des attractions et des répulsions, et décrit l’expérience de l’aimant brisé. C’est un bel ensemble d’expériences bien conduites et de considérations judicieuses sur la méthode expérimentale. William Gilbert (1544-1603), dans son traité De magnete (1600), développe les études expérimentales, possède la notion de lignes de force, indique le rôle des pièces polaires et remarque que, chauffé au rouge, le fer se désaimante. Il décrit trois méthodes d’aimantation du fer : par contact avec la magnétite, par déformation plastique d’une barre alignée suivant la direction du champ magnétique terrestre ou par refroidissement, dans ce champ magnétique terrestre, d’une barre chauffée au rouge. Il découvre même le traînage magnétique : au bout de plusieurs années, une barre de fer maintenue dans le champ terrestre s’aimante. Il aborde la théorie du magnétisme terrestre, et le premier suppose que la terre est un gros aimant.

Charles Augustin de Coulomb* inaugure le caractère quantitatif de l’étude moderne du magnétisme. Il applique pour la première fois la balance de torsion à la mesure de forces faibles et établit en 1785 les lois d’attraction et de répulsion des masses magnétiques en raison inverse du carré de la distance. Il introduit la notion de moment magnétique et fait remarquer que les masses magnétiques libres n’existent pas, mais qu’il s’agit d’une polarisation à l’échelle moléculaire. Prolongeant ces travaux, Siméon Denis Poisson (1781-1840) établit en 1824 les lois de la magnétostatique : aimantation par influence, théorie du potentiel magnétique... En 1837, Gauss* développe la notion de feuillet magnétique.

En ce qui concerne les recherches expérimentales, Faraday* découvre en 1845 le diamagnétisme et distingue le para- du ferromagnétisme. Il découvre aussi la polarisation rotatoire magnétique, qui exprime l’action des aimants sur la lumière et constitue un premier lien entre l’optique et l’électromagnétisme.

Les recherches expérimentales de Pierre Curie* de 1892 à 1895 marquent un tournant important. Il précise les idées assez vagues que l’on avait à cette époque sur le changement des propriétés magnétiques en fonction de la température et jette un premier pont entre le magnétisme et la thermodynamique. Il montre que la susceptibilité des corps diamagnétiques est indépendante de la température et qu’en général celle des corps paramagnétiques est en première approximation inversement proportionnelle à la température absolue T : c’est la loi de Curie. Il montre aussi qu’au-dessus d’une certaine température, appelée depuis point de Curie, les corps ferromagnétiques deviennent paramagnétiques. À ce propos, il souligne les analogies entre l’équation d’état des fluides f(D,p,T) = 0, où D et p sont la densité et la pression, et celle des corps ferromagnétiques f(J,H,T) – 0, où J et H sont l’aimantation et le champ magnétique.

C’est en s’appuyant sur les travaux de Curie que Paul Langevin*, en 1905, édifie la première théorie quantitative des propriétés magnétiques de la matière. Déjà, en 1820, Ampère* avait rattaché le magnétisme à l’électrodynamique et avait supposé que chaque atome était le siège d’un courant électrique circulaire : il avait senti que le moment magnétique devait être lié à un moment cinétique. Wilhelm Eduard Weber (1804-1891), vers 1850, avait développé ces idées en supposant que les atomes contenaient deux charges électriques de signes contraires, l’une fixe, l’autre mobile. Après sir Joseph Larmor (1857-1942) et H. A. Lorentz*, Langevin précise et traduit ce point de vue en langage électronique, en montrant comment le champ électrique d’induction, créé par la variation du champ magnétique, modifie le mouvement des électrons. Il obtient la formule correcte exprimant la valeur du moment diamagnétique induit en fonction du champ magnétique et de la distance des électrons au noyau atomique. Les physiciens disposeront ainsi d’un nouveau moyen d’estimation des dimensions des atomes. En outre, en admettant que les atomes possèdent un moment magnétique atomique, Langevin étend aux degrés de liberté d’orientation la formule de Boltzmann* exp{– W/kT}, relative aux degrés de liberté de translation et donnant la probabilité d’occupation du niveau d’énergie W. Il explique ainsi le paramagnétisme et la loi de Curie. Cette première généralisation de la loi de Boltzmann fut suivie de beaucoup d’autres.