On attribue à Thalès de Milet (VI^e s. avant J.-C.) la première description de la magnétite, pierre trouvée en Magnésie (Thessalie) et capable d'attirer le fer ou les pierres de même espèce. Les aiguilles aimantées ont été utilisées dès le XI^e s. pour la navigation, mais l'étude quantitative du magnétisme n'a commencé qu'avec les travaux de C. A. de Coulomb, qui établit les lois d'attraction et de répulsion des masses magnétiques en raison inverse du carré de la distance qui les sépare. Les travaux de Gauss, Œrsted et Faraday permirent d'établir un lien entre les phénomènes magnétiques et électriques ; ceux de P. Curie, puis de Goudsmit, Brillouin et Van Vleck (1932) donnèrent une interprétation quantique du magnétisme, faisant intervenir le moment angulaire propre des électrons, ou spin.

Physique du magnétisme

Les travaux de Coulomb avaient conduit à considérer les aimants comme constitués de 2 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). Les électrons des atomes se regroupant en général par paires de spins opposés, le moment magnétique résultant est nul. 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 les matériaux magnétiques, on distingue les matériaux paramagnétiques présentant un moment résultant nul (les moments magnétiques des atomes sont orientés au hasard) et les matériaux présentant un ordre magnétique : ils sont dits ferromagnétiques si les spins sont parallèles et ont la même direction, antiferromagnétiques si les spins forment deux sous-réseaux orientés en sens opposés, d'aimantation résultante nulle et ferrimagnétiques si les spins forment deux sous-réseaux d'aimantation résultante non nulle.

Grandeurs magnétiques

Courbes d'aimantation

La théorie électromagnétique décrit les interactions entre courants et moments magnétiques par l'intermédiaire de grandeurs appelées champ et induction magnétiques, exprimées respectivement en A.m⁻¹ et tesla (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.10⁻⁷H.m⁻¹ dans le 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.