magnétisme

Champ magnétique terrestre

Branche de la physique qui étudie les propriétés de la matière aimantée, des aimants.

PHYSIQUE

1. Historique de l'étude du magnétisme

Le phénomène du magnétisme est connu depuis l’Antiquité. On attribue à Thalès de Milet (vi^e s. avant J.-C.) la première description de la magnétite (oxyde de fer de formule Fe₃O₄, appelée également « pierre d’aimant »), pierre trouvée en Magnésie (Thessalie) et capable d’attirer le fer ou les pierres de même espèce. Les Grecs, mais aussi les Romains et les Chinois avaient constaté que la magnétite avait la faculté d’attirer les objets contenant du fer, et qu’un morceau de fer mis en contact avec la magnétite acquérait la même propriété.

C’est au xi^e siècle qu’apparaît la première application du magnétisme : la boussole, indispensable à la navigation. La découverte qu’une aiguille aimantée indique la direction du nord ouvre alors la voie à l’étude des propriétés magnétiques de ce gigantesque aimant qu’est le globe terrestre.

→ champ magnétique terrestre.

Mais l’étude quantitative du magnétisme ne commence réellement qu’à la fin du xviii^e siècle avec les travaux de Charles Augustin de Coulomb. Celui-ci mesure les forces qui s’exercent entre deux charges magnétiques et établit que ces forces sont inversement proportionnelles au carré de la distance qui sépare les charges.

En 1820, Hans Christian Œrsted observe qu’une aiguille magnétique est déviée par un courant électrique traversant un fil conducteur. Cette découverte, qui relie électricité et magnétisme, est à la base de la théorie de l’électromagnétisme, élaborée par André-Marie Ampère puis par James Maxwell.

De nombreux travaux fondamentaux sur le magnétisme sont réalisés vers la fin du xix^e siècle : en 1880, Emil Warburg découvre le phénomène d’hystérésis (retard des variations de l’aimantation d’une substance ferromagnétique soumise aux variations d’un champ magnétique), Pierre Curie montre en 1895 que les propriétés magnétiques des corps dépendent de leur température… Et au début du xx^e siècle, les progrès réalisés dans l’étude de la matière à l’échelle atomique permettent alors d’explorer plus en détail le phénomène du magnétisme et d’en donner une interprétation quantique. Niels Bohr explique ainsi à l’aide de la classification périodique (→ élément) pourquoi le magnétisme apparaît chez les éléments de transition tels que le fer, et les physiciens américains Samuel Abraham Goudsmit et George Eugene Uhlenbeck montrent que l’électron lui-même se comporte comme un petit aimant.

2. Les différents types de magnétisme

Les travaux de Coulomb avaient conduit à considérer les aimants comme constitués de deux masses magnétiques égales et de signes opposés, l’ensemble étant caractérisé par un moment magnétique égal au produit de la masse par la longueur du dipôle. Devant l’impossibilité d’isoler une masse magnétique unique (expérience de l’aimant brisé), il est préférable de considérer le moment magnétique des électrons (spin).

2.1. Le diamagnétisme

Les électrons des atomes se regroupant en général par paires de spins opposés, le moment magnétique résultant est nul : 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.

Seuls les éléments de transition (fer, nickel, cobalt, manganèse, etc.) et les terres rares, du fait de leur structure électronique, portent un moment magnétique résultant et sont donc des aimants. Parmi ces matériaux magnétiques, on distingue les matériaux paramagnétiques, ferromagnétiques, ferrimagnétiques, ou antiferromagnétiques.

2.2. Le paramagnétisme

Les substances paramagnétiques ne possèdent pas d’aimantation en l’absence de champ magnétique extérieur, car les moments magnétiques de leurs atomes sont orientés 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.

2.3. Le ferromagnétisme

Les substances ferromagnétiques sont peu nombreuses : fer, nickel, cobalt, ainsi que leurs alliages, et quelques terres rares. Elles présentent une aimantation permanente même en l’absence de champ magnétique extérieur, car les moments magnétiques de leurs atomes sont tous alignés dans la même direction et dans le même sens. Placées dans un champ magnétique, par exemple au voisinage d’un aimant, elles deviennent des aimants de puissance notable.

Par ailleurs, l’aimantation d’une substance ferromagnétique dépend non seulement du champ magnétique qu’on lui applique, mais aussi des champs auxquels elle a été soumise auparavant, de l’aimantation rémanente : c’est le phénomène d’hystérésis (voir plus bas).

Enfin, il faut noter également que lorsque les substances ferromagnétiques sont chauffées, elles 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 a découvert cette propriété en 1895. Par exemple, la température de Curie du fer métallique est d’environ 770 °C

2.4. Le 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. Cependant, 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.

2.5. L’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.

3. Le phénomène d’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.

Ce phénomène d’hystérésis peut se traduire par une courbe. Lorsque l’on fait agir un champ magnétique croissant à partir de zéro sur une substance ferromagnétique, son aimantation augmente jusqu’à une certaine valeur qui ne peut être dépassée; on parle alors d’aimantation de saturation. Si on diminue ensuite le champ magnétique jusqu’à zéro, la substance ferromagnétique reste légèrement aimantée : c’est l’aimantation rémanente. Pour faire disparaître cette dernière, il faut soumettre le corps à un champ opposé (champ coercitif). Si l’on continue d’augmenter l’intensité de ce champ opposé, la substance s’aimante dans le sens contraire, et ce jusqu’à la saturation. En diminuant le champ magnétique jusqu’à zéro, l’aimantation diminue, mais ne s’annule pas (on retrouve l’aimantation rémanente) ; pour l’annuler, il faut appliquer un champ du même sens que le champ initial. Si on augmente à nouveau ce champ, l’aimantation augmente jusqu’à la saturation, et on peut ensuite décrire à nouveau le cycle (la courbe qui le représente dessinera une forme plus ou moins carrée ou allongée, selon le matériau).

Les matériaux doux, comme le fer, se caractérisent par un magnétisme rémanent important et un faible champ coercitif ; ils seront employés pour des électroaimants. Pour les matériaux durs, tel l’acier, c’est le contraire, et ils seront utilisés pour réaliser des aimants permanents.

4. Champ magnétique et autres grandeurs magnétiques

4.1. Caractéristiques d’un champ magnétique

Dans toute région de l’espace où s’exercent des forces magnétiques, on dit qu’il règne un champ magnétique. Celui-ci s’exprime à l’aide d’un vecteur, souvent noté , qui est défini par :
• sa direction : celle prise par une aiguille aimantée placée dans le champ) ;
• son sens : du pôle sud vers le pôle nord de l’aiguille ;
• sa longueur : proportionnelle à la valeur mesurée du champ magnétique exprimée en teslas (T).

Si l’on saupoudre de limaille de fer une feuille de papier sur laquelle est placé un aimant permanent, les grains de limaille s’aimantent : chaque grain tend à s’orienter dans la direction du champ magnétique au point où il se trouve ; l’ensemble des grains dessine les lignes de force ou lignes de champ, et la figure obtenue est appelée spectre du champ magnétique. Les lignes de champ sont des lignes orientées du pôle nord vers le pôle sud de l’aimant. Plus elles sont rapprochées, plus le champ est intense dans la zone considérée. Le vecteur champ magnétique est tangent aux lignes de champ en tout point de l’espace.

Entre les branches d’un aimant en fer à cheval, les lignes de champ sont parallèles, et le champ a sensiblement la même intensité : dans ce cas particulier, le champ est dit uniforme. Sur une surface pas trop grande, le champ magnétique terrestre est aussi sensiblement uniforme ; sa valeur moyenne est de 5×10^-5 T. Dans un champ uniforme, un aimant est soumis à deux forces égales et opposées : il s’oriente mais ne se déplace pas.

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 est égale au produit vectoriel de par multiplié par la charge q, soit l’expression :

La force étant toujours perpendiculaire au déplacement de la particule dans un champ magnétique, celle-ci se déplace sur une trajectoire courbe. Cette propriété des champs magnétiques est utilisée pour contrôler les trajectoires des particules chargées dans des appareils tels que les accélérateurs de particules et les spectromètres de masse.

4.2. Autres grandeurs magnétiques

La théorie électromagnétique décrit les interactions entre courants électriques et moments magnétiques par l’intermédiaire de grandeurs appelées champ et induction magnétiques, exprimées respectivement en ampères par mètre (A•m⁻¹) et en teslas (T).

L’induction magnétique dans le vide où règne le champ est définie par , où μ₀ est une constante universelle appelée perméabilité magnétique du vide et qui vaut μ₀ = 4π×10−7 H•m⁻¹ dans le Système international (unité SI). Dans un matériau aimanté, l’induction magnétique est définie par , étant l’intensité d’aimantation du matériau, moment magnétique par unité de volume.

Les propriétés magnétiques d’un matériau sont données par sa courbe d’aimantation, représentant la relation entre et un champ extérieur appliqué. Pour des champs assez faibles, la relation est linéaire et l’on peut écrire , où χ est la susceptibilité magnétique du matériau (sans dimensions).

Les corps diamagnétiques, de susceptibilité magnétique généralement très faible et négative, sont repoussés par les aimants ; les corps paramagnétiques, de susceptibilité positive, sont attirés par les aimants ; les corps ferromagnétiques, enfin, ont une aimantation spontanée en l’absence de champ extérieur.

La courbe d’aimantation M(H) permet aussi de caractériser les substances magnétiques. Les matériaux doux (alliages fer-silicium, fer-nickel, utilisés dans les moteurs et transformateurs électriques) ne présentent pas d’hystérésis (figure 1), tandis que les matériaux durs (figure 2 ; ferrites, alliages fer-cobalt, utilisés pour les aimants permanents et les bandes magnétiques) présentent une forte hystérésis.

Applications des matériaux magnétiques

Le magnétisme est un domaine de la physique qui a toujours été étroitement lié à des applications pratiques : les boussoles et compas de marine jusqu’au xix^e siècle, les dynamos et moteurs électriques depuis la fin du siècle dernier, l’électronique après la Seconde Guerre mondiale, les techniques d’enregistrement magnétique du son, et enfin l’informatique.

Des matériaux durs sont utilisés pour fabriquer les aimants permanents : fermetures magnétiques, appareils de mesures électriques, moteurs et générateurs, alternateurs d’automobiles et dynamos de bicyclettes, haut-parleurs, microphones... Les matériaux doux sont utilisés dans les électro-aimants, les transformateurs électriques, les cartes, tickets magnétiques, etc.

Dans les mémoires magnétiques d’ordinateurs, des particules magnétiques peuvent s’orienter dans un sens ou dans le sens opposé, caractérisant ainsi deux états qui définissent les 0 et les 1 de la notation binaire en informatique. L’avantage de l’enregistrement magnétique est qu’il se prête aussi bien à la lecture qu’à l’écriture.

→ numérique.

Imagerie par résonance magnétique (I.R.M.)

En médecine, l’imagerie par 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 électro-aimants afin de confiner les particules accélérées sur une trajectoire courbe.

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.