Magnétisme E-Book

Encyclopaedia Universalis

• Herausgeber: Encyclopaedia Universalis
• Kategorie: Bildung
• Sprache: Französisch

Seitenzahl: 72

Veröffentlichungsjahr: 2016

Beschreibung

Le magnétisme est l'un des phénomènes qui a le plus frappé l'imagination de l'homme, au point que ce mot désigne aujourd'hui des réalités très diverses : il s'agit d'abord d'une science fort ancienne et néanmoins toujours d'actualité dont le champ d'application ne cesse de s'étendre ; ensuite, ...

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ISBN : 9782341004077

© Encyclopædia Universalis France, 2016. Tous droits réservés.

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Magnétisme

Introduction

Le magnétisme est l’un des phénomènes qui a le plus frappé l’imagination de l’homme, au point que ce mot désigne aujourd’hui des réalités très diverses : il s’agit d’abord d’une science fort ancienne et néanmoins toujours d’actualité dont le champ d’application ne cesse de s’étendre ; ensuite, par extension, on parlera du magnétisme d’une personne attrayante et capable de dynamiser son entourage ; enfin, ce mot recouvre diverses pratiques parapsychologiques qui ne sont pas soumises à l’expérimentation scientifique et dont les acteurs sont appelés magnétiseurs, tandis que le terme de magnéticien est réservé aux scientifiques.

Seuls les aspects scientifiques et techniques du magnétisme de la matière condensée seront abordés dans cet article. En ce qui concerne le magnétisme terrestre et planétaire, on se reportera aux articles GÉOMAGNÉTISME et MAGNÉTOSPHÈRES.

Thalès de Milet savait déjà, il y a plus de 2 500 ans, que la magnétite, ou pierre d’aimant, attire le fer et Pline l’Ancien savait aussi qu’elle peut, par influence, communiquer cette propriété attractive à un morceau de fer. On dit alors que celui-ci est aimanté.

L’application des aimants à la navigation, sous la forme de boussoles ou de compas, est sensiblement plus tardive : elle date des XIe et XIIe siècles de notre ère. Peter Peregrinus (Pierre Le Pèlerin de Maricourt), dans son Epistola... de Magnete – achevé probablement en 1269 – et, surtout, William Gilbert (1544-1603), dans son De Magnete... – publié en 1600 –, traitent de ces applications et développent ainsi les premières théories du magnétisme. Il faut cependant attendre Charles Augustin Coulomb (1736-1806) et sa célèbre série de sept mémoires (1785-1791) pour connaître les lois d’action des charges magnétiques en fonction de la distance, et Denis Poisson (1781-1840) pour amorcer la théorie des champs magnétiques.

Au cours du XIXe siècle, les connaissances sur les propriétés magnétiques de la matière se précisent progressivement, notamment avec la théorie de l’électromagnétisme établie par James Clerk Maxwell (1831-1879), mais c’est Pierre Curie qui, pour la première fois (1895), distingue clairement paramagnétisme et diamagnétisme, et met en évidence le passage du ferromagnétisme au paramagnétisme par élévation de température. Paul Langevin édifie ensuite en 1905 la théorie atomique du diamagnétisme et du paramagnétisme, suivi par Pierre Weiss, qui élabore en 1906 la théorie du ferromagnétisme. Parallèlement, avec l’essor de l’électrotechnique, les applications du magnétisme commencent à se développer.

Une seconde génération de physiciens complète l’œuvre de ces pionniers : parmi eux, John Hasbrouck Van Vleck établit, en 1932, la théorie quantique définitive du diamagnétisme et du paramagnétisme ; en 1928, Werner Heisenberg découvre dans les échanges électroniques interatomiques l’origine des interactions ferromagnétiques ; cette même année, Paul Adrien Maurice Dirac calcule le moment magnétique associé au moment cinétique intrinsèque de l’électron, le spin ; Felix Bloch, en 1930, décrit la structure des parois séparant les domaines élémentaires ; Louis Néel établit et explique les notions d’antiferromagnétisme (1932) et de ferrimagnétisme (1947).

Depuis lors, le champ des recherches s’est encore considérablement élargi ; aux études classiques sur matériaux massifs et cristallisés sont venus se greffer des travaux sur poudres, couches minces voire couches mono-atomiques, systèmes désordonnés, matériaux amorphes, molécules organiques, bactéries même. Parallèlement, les techniques expérimentales ont progressé de façon spectaculaire avec l’apparition de la diffraction des neutrons, de la résonance magnétique, de l’effet Mössbauer, des électro-aimants à supraconducteurs et des magnétomètres ultrasensibles à effet Josephson (qualifiés par l’acronyme « squid » : superconducting quantum interference device), qui ont ouvert la voie au biomagnétisme. Plusieurs milliers de publications par an témoignent de l’importance des recherches sur le magnétisme, et chaque année apporte sa moisson de composés nouveaux toujours plus performants qui viennent élargir la panoplie déjà variée des matériaux magnétiques pour applications industrielles.

Dans cet exposé des propriétés magnétiques de la matière, il conviendra de distinguer lediamagnétisme, attribuable au faible moment induit dans tous les atomes par le champ magnétique, duparamagnétisme, qui est dû à l’action du champ sur les moments magnétiques permanents de certains atomes et qui tend à les aligner dans sa propre direction malgré l’agitation thermique. Quand les actions mutuelles entre moments atomiques sont suffisamment intenses pour coopérer à cet alignement, on est en présence du ferromagnétisme, caractérisé par l’existence d’uneaimantation spontanée en l’absence de champ extérieur et par des phénomènes d’hystérésis. Une théorie phénoménologique peut être développée en postulant l’existence d’un champ magnétique fictif, le champ moléculaire, représentatif des interactions entre les moments atomiques.

L’existence de champs moléculaires locaux, caractéristiques de chacun des différents sites cristallins, permet d’interpréter l’antiferromagnétisme, le ferrimagnétisme et toutes les structures plus complexes, triangulaires, hélicoïdales et même désordonnées (verres de spin). Tenant ensuite compte d’une manière formelle des différents termes (énergies magnétostatique, magnétocristalline, magnétoélastique et énergie d’échange) susceptibles d’entrer dans l’expression de l’énergie d’un corps ferromagnétique, on examinera les différents mécanismes qui entrent en jeu au cours du processus d’aimantation macroscopique (aimantation technique) d’un corps ferromagnétique.

À la lumière de la théorie atomique moderne, on pourra ensuite donner une interprétation plus fondamentale des propriétés magnétiques de la matière : origine microscopique des moments atomiques, magnétisme des électrons de conduction, nature des interactions magnétiques. Puis, une présentation rapide des principaux outils du magnétisme permettra d’introduire la diffraction neutronique et la résonance magnétique. Enfin, il serait difficile de clore cet article sans évoquer, même brièvement, les applications industrielles du magnétisme, qui sont l’enjeu d’une ardente compétition internationale.

1. Moment magnétique : diamagnétisme et paramagnétisme

Une aiguille de boussole s’oriente toujours à peu près selon le méridien du lieu : l’extrémité qui pointe vers le nord est appelée pôle Nord et l’autre pôle Sud. On dit qu’une telle aiguille constitue un dipôle magnétique, ou encore qu’elle est porteuse d’un moment magnétique, et l’on attribue son orientation à l’existence d’un champ magnétique terrestre. Or un fil conducteur parcouru par un courant électrique fait dévier une boussole située à proximité : le courant électrique crée donc un champ magnétique H. En particulier, une spire de surface S parcourue par un courant I constitue, quand on l’observe d’assez loin, un dipôle magnétique dont le moment est proportionnel à l’intensité de ce courant : m = SI. L’existence du magnétisme apparaît ainsi étroitement liée au déplacement de charges électriques.

À l’échelle atomique, il en va de même : tout électron possède d’abord un moment magnétique associé à son moment cinétique intrinsèque, le spin ; en outre, le mouvement d’un électron sur son orbite atomique peut créer un courant électrique, donc un moment magnétique orbital ; la combinaison des moments magnétiques individuels de chaque électron d’un atome – ou d’un ion – peut conduire à l’apparition d’un moment magnétique atomique. Signalons que les noyaux atomiques peuvent également présenter un moment magnétique, le moment nucléaire, mais ce dernier est de l’ordre du dix-millième du précédent.

• Notion de susceptibilité magnétique

De même que l’application d’une contrainte mécanique peut déformer un objet élastique, l’application d’un champ magnétique H modifie les propriétés électromagnétiques de l’espace qui lui est soumis. On dit qu’il apparaît une induction magnétique B.

Dans le vide, cette induction est proportionnelle au champ (B = μ0H), et le coefficient de proportionnalité, μ0, vaut 4π × 10-7 dans le système international d’unités (S. I.), c’est-à-dire quand l’induction est exprimée en tesla (T) et le champ magnétique en ampère par mètre (A . m-1). Les unités C.G.S. sont encore parfois employées dans les ouvrages et revues scientifiques : l’induction est alors exprimée en gauss (Gs) et le champ magnétique en œrsted (Oe). Un tesla vaut 104 gauss et un ampère par mètre vaut (4π/1 000) œrsted (cf. systèmes d’UNITÉS).

Lorsqu’un échantillon de volume V d’une substance matérielle se trouve soumis à un champ magnétique, l’induction magnétique dans ce volume devient :

où M est appelée aimantation de la substance ; le moment magnétique de cet échantillon est défini alors par le produit M . V.

La formule (1) est valable en tout point de l’espace, aussi bien à l’intérieur qu’à l’extérieur de la matière (dans ce dernier cas M est nul). Le champ H est la somme du champ créé par les courants électriques réels et du champ dipolaire créé par les moments magnétiques. À l’intérieur de la matière aimantée, ce dernier champ s’oppose à l’aimantation et porte le nom de champ démagnétisant.