Diamagnétisme, paramagnétisme et ferromagnétisme

Diagramme pour distinguer ferromagnétisme, paramagnétisme et diamagnétisme

Le diagramme suivant permet de déterminer rapidement si un matériau est ferromagnétique, paramagnétique ou diamagnétique.

Diamagnétisme, paramagnétisme et ferromagnétisme : formes de manifestation de la magnétisation

Lorsqu'un matériau est exposé à un champ magnétique extérieur, il en résulte une magnétisation du matériau. La direction et l'intensité de cette magnétisation reposent sur des propriétés intrinsèques du matériau et sont désignées par les termes diamagnétisme, paramagnétisme et ferromagnétisme. D'autres types de magnétisme (par exemple le ferrimagnétisme) sont connus, mais ne seront pas abordés ici.

L'aimantation de la matière dans un champ extérieur, donc l'orientation des aimants élémentaires dans le matériau, peut être dirigée dans le sens opposé au champ magnétique extérieur ou dans le même sens. Si l'aimantation est opposée au champ extérieur, on parle de diamagnétisme. Dans les corps paramagnétiques, la magnétisation est orientée dans le même sens que le champ magnétique extérieur. Dans les matériaux ferromagnétiques, l'aimantation est orientée dans le même sens que le champ magnétique extérieur et elle est particulièrement forte en raison d'une interaction particulière des spins électroniques, appelée interaction d'échange. Pour un même champ magnétique externe, l'aimantation de matériaux ferromagnétiques est en général nettement plus importante que celle de matériaux paramagnétiques. Toutefois, à température ambiante, seuls les éléments fer, nickel et cobalt sont ferromagnétiques. Il existe aussi des alliages et des composés ferromagnétiques, ainsi que des éléments qui deviennent ferromagnétiques à basse température. À très haute température, tous les matériaux ferromagnétiques deviennent parmagnétiques, car l'énergie thermique des électrons est alors supérieure à l'interaction d'échange et l'alignement parallèle des spins des électrons est détruit. Il existe une température caractéristique pour cette transition, à savoir la température de Curie.

L'aimantation de matériaux ferromagnétiques est partiellement conservée lorsque le champ magnétique extérieur est désactivé. Cette aimantation résiduelle est appelée rémanence.

Observer le diamagnétisme, le paramagnétisme et le ferromagnétisme

Contrairement au diamagnétisme et au paramagnétisme, le ferromagnétisme est facilement observable dans la vie quotidienne. Les matériaux ferromagnétiques sont fortement attirés par les champs magnétiques. Ainsi, un aimant reste collé à une paroi en fer, qui est ferromagnétique, mais pas à une paroi en plastique, qui est généralement diamagnétique.

L'interaction entre des champs magnétiques et des matériaux paramagnétiques ou diamagnétiques est très faible, de sorte qu'elle n'est pas directement observable dans la vie quotidienne.

Un para-aimant (par exemple l'oxygène) est attiré par un champ magnétique comme un ferro-aimant (par exemple le fer). La force d'attraction est cependant plusieurs millions de fois plus faible. Un aimant diamagnétique (par exemple l'eau) est en revanche repoussé lorsqu'il est introduit dans le champ magnétique, mais également de manière presque imperceptiblement faible. La force répulsive entre des champs magnétiques et des matériaux diamagnétiques n'est forte que pour les supraconducteurs. C'est pourquoi les supraconducteurs sont également appelés "aimants diamagnétiques parfaits". Ils présentent une aimantation qui repousse complètement la densité du flux magnétique à l'intérieur du supraconducteur. Le supraconducteur flotte même au-dessus d'un aimant en raison de l'effet diamagnétique répulsif.

La perméabilité magnétique pour décrire l'intensité de la magnétisation

La perméabilité magnétique μ est introduite pour décrire l'intensité de l'aimantation. Pour simplifier, on peut imaginer que la perméabilité μ indique de quel facteur la densité du flux magnétique est augmentée ou diminuée par l'influence du matériau. Ainsi, la densité du flux magnétique B en présence d'un matériau ayant la perméabilité μ à la différence de la densité du flux magnétique du vide B₀ :

B = μ • B₀

Le champ magnétique est quant à lui la somme du champ magnétique extérieur incident H₀ (qui serait également présent dans le vide) et de la magnétisation M : H = H₀ + M

Ce champ magnétique en présence du matériau est également obtenu en multipliant le champ du vide par la perméabilité μ : H = μ • H₀

Il s'applique ainsi à la magnétisation :

M = H - H₀ = μ • H₀ - H₀ = (μ - 1) • H₀

La magnétisation M d'un matériau dans un champ magnétique incident (sous vide) H₀ est donc :

M = (μ - 1) • H₀

Le facteur (μ - 1) est également appelé susceptibilité magnétique χ et il suit : M = χ • H₀

La perméabilité du vide est μ = 1. Par conséquent, le vide ne réagit pas à un champ magnétique. La magnétisation M du vide est nulle. De même que sa susceptibilité magnétique χ. Des matériaux paramagnétiques ont une perméabilité légèrement supérieure à 1. La susceptibilité magnétique des para-aimants est légèrement supérieure à zéro. La perméabilité des matériaux diamagnétiques est légèrement inférieure à 1, la susceptibilité est donc inférieure à zéro. Pour un supraconducteur, la perméabilité magnétique est μ = 0 et la susceptibilité χ = -1. Le flux magnétique ne pénètre ainsi plus du tout dans le supraconducteur. On peut également imaginer que dans les supraconducteurs, la magnétisation soit égale au champ extérieur incident, mais en sens inverse. C'est pourquoi le champ extérieur est compensé dans le supraconducteur. Les ferro-aimants peuvent avoir des coefficients de perméabilité très élevés. Pour le fer, μ peut atteindre des valeurs allant jusqu'à 10 000, des métaux ferromagnétiques particuliers avec une disposition des atomes créée de manière spécifique, atteignent des valeurs jusqu'à μ = 150 000.

L'hypothèse selon laquelle la perméabilité est simplement une constante pour chaque matériau n'est toutefois qu'une approximation. Cela peut être observé dans la courbe courbe d'hystérésis. En réalité, l'aimantation du matériau ne suit pas de manière linéaire le champ magnétique incident (ou la densité de flux incidente). Le lien est plus compliqué et dépend également des "antécédents" du matériau. Si le matériau est déjà magnétisé, il se comporte différemment dans le champ extérieur que le même matériau, mais qui n'est pas magnétisé. La formule linéaire M = χ • H₀ est par conséquent une approximation.

Approche physique

Pour comprendre la cause physique du diamagnétisme, du paramagnétisme et du ferromagnétisme, on peut imaginer que tout matériau est constitué d'atomes comportant des noyaux atomiques et des électrons.

Si l'on applique maintenant un champ magnétique extérieur, des mouvements des électrons, donc des courants, sont induits sous l'influence de ce champ magnétique. Selon la règle de Lenz, ces courants sont dirigés de telle sorte qu'ils s'opposent à leur cause. C'est pourquoi les moments magnétiques induits, on parle également de polarisation magnétique induite, sont orientés de telle sorte que la matière dans son ensemble est faiblement poussée en dehors du champ magnétique extérieur, c'est-à-dire qu'elle présente des propriétés diamagnétiques.

Tout matériau est légèrement diamagnétique. Il se peut toutefois que des propriétés paramagnétiques ou même ferromagnétiques supplémentaires se superposent au diamagnétisme du matériau. Le paramagnétisme ou le ferromagnétisme se produisent précisément au moment où les électrons de l'ensemble de l'enveloppe électronique de chaque atome du matériau possèdent un spin total résultant. Les électrons individuels possèdent toujours un "spin" qui porte un moment magnétique. Dans de nombreux matériaux, les spins des électrons s'annulent toutefois par paires. Ces matériaux sont alors diamagnétiques. Cependant, si chaque atome possède un nombre impair d'électrons, les spins des électrons ne peuvent pas s'annuler par paires dans chaque atome. Chaque atome et ses électrons possèdent alors un spin total résultant du dernier électron "non apparié" restant. Ces matériaux sont paramagnétiques ou ferromagnétiques.

Les moments magnétiques atomiques des spins résultants sont répartis uniformément dans toutes les directions de l'espace en raison du mouvement des atomes, de sorte que les champs magnétiques de tous les aimants élémentaires réunis se compensent mutuellement et que la substance semble non magnétique vers l'extérieur.

Les spins totaux résultants de tous les atomes s'alignent cependant dans un champ magnétique extérieur. Le pôle nord de tous les aimants élémentaires pointe alors en direction du pôle sud du champ extérieur et inversement. Dans ce cas, l'échantillon lui-même se comporte comme un aimant et il est attiré par le champ magnétique extérieur. Les courants circulaires induits simultanément, qui sont dirigés en sens inverse de leur cause (le champ magnétique extérieur) en raison de la règle de Lenz, sont plus faibles dans des matatériaux paramagnétiques et ferromagnétiques que l'effet des aimants élémentaires alignés, de sorte que l'effet répulsif des courants circulaires induits est surpassé par l'effet attractif des aimants élémentaires alignés. C'est la cause du paramagnétisme et du ferromagnétisme.

Dans un ferro-aimant, en raison de l'interaction d'échange, les spins des électrons se stabilisent. L'interaction d'échange est particulièrement forte dans les ferro-aimants. Chaque aimant élémentaire est alors stabilisé en plus dans son orientation. Il en résulte un effet d'attraction souvent un million de fois plus fort. Le matériau reste donc magnétique même dans sa totalité lorsque le champ magnétique extérieur est désactivé (rémanence). Dans les para-aimants, l'interaction d'échange est inférieure à l'énergie thermique des spins atomiques.

Démagnétisation par la chaleur

Si le ferro-aimant magnétisé est fortement chauffé (au-delà de la température de Curie), le ferromagnétisme disparaît parce que l'augmentation de la température entraîne un mouvement plus important des atomes avec les différents spins totaux résultants de l'enveloppe électronique. Ce mouvement détruit le couplage mutuel des spins électroniques par l'interaction d'échange, car l'énergie thermique apportée dépasse l'énergie de couplage des spins électroniques. Au-dessus de la température de Curie, le corps devient alors un para-aimant . De fortes secousses ou un champ extérieur opposé peuvent également annuler la rémanence d'un ferromagnétique, c'est-à-dire entraîner une démagnétisation. Le matériau reste cependant ferromagnétique et pourrait être magnétisé à nouveau. Un matériau chauffé redevient également ferromagnétique lorsqu'il refroidit en dessous de la température de Curie.