Matériaux magnétiques (Physique)

Définition des matériaux magnétiques

Lorsque nous pensons aux aimants, nous sommes généralement enclins à imaginer le barreau aimanté typique, composé d'un pôle nord et d'un pôle sud. Cependant, de nombreux matériaux qui nous entourent dans notre vie quotidienne ont le potentiel de devenir un aimant, car cela dépend simplement de leur structure interne. Nous pouvons définir un matériau magnétique comme suit.

Mais qu'est-ce qui rend les matériaux magnétiques si spéciaux qu'ils sont les seuls à pouvoir subir les influences d'un champ magnétique externe ? Pour le comprendre, examinons de plus près la structure d'un matériau magnétique solide.

Fig. 2 - En raison de l'orbite des électrons autour d'un noyau, un atome présente un comportement de type dipôle magnétique.

Comme nous l'avons déjà dit, les atomes sont les éléments constitutifs de tous les matériaux qui nous entourent. La structure interne de ces atomes est constituée d'un noyau contenant des protons et des neutrons, tandis qu'une superposition d'électrons gravite autour du noyau. Comme l'a découvert James Maxwell en 1865, le mouvement des particules chargées, telles que les électrons, génère un champ magnétique environnant. Par conséquent, la précession des électrons autour du noyau crée de la même façon un mini champ magnétique local au noyau. C'est ce que nous appelons le dipôle atomique.

À partir de la figure ci-dessus, nous pouvons nous faire une meilleure idée de la structure interne du dipôle atomique. En utilisant la règle de la main droite, qui consiste à recourber les doigts dans le sens du courant et à pointer le pouce dans la direction du pôle nord, nous pouvons voir que le pôle nord résultant de ce dipôle atomique se trouve dans la direction du haut, vers le haut de la page, comme l'indique la flèche bleue.

En partant de la structure du dipôle atomique, les matériaux magnétiques sont également constitués de ce que l'on appelle des domaines magnétiques. Il s'agit de structures composées de dipôles atomiques voisins qui sont tous orientés dans la même direction. Ces domaines magnétiques ont leur propre champ magnétique interne, formant une boucle continue.

Fig. 3 - Si un matériau magnétique présente des domaines magnétiques non alignés, il n'est pas magnétisé.

Dans la figure ci-dessus, le matériau magnétique a une forme rectangulaire (bleue) et les domaines magnétiques internes sont indiqués par les flèches (roses). Comme nous pouvons le voir, les domaines ne sont pas alignés car les flèches pointent principalement dans des directions différentes, ce qui nous indique que le matériau ne présente pas de champ magnétique cohésif.

Classification des matériaux magnétiques

Maintenant que nous avons établi les structures internes des matériaux magnétiques, voyons de plus près comment nous pouvons répartir les matériaux de tous les jours en différentes catégories.

Ferromagnétisme

Les matériaux classés comme ferromagnétiques sont ceux qui présentent les propriétés magnétiques les plus fortes. Cette propriété est due à la susceptibilité des domaines magnétiques qui composent le matériau, ce qui signifie que les domaines peuvent être alignés sous l'influence d'un champ magnétique externe. Sous l'effet du champ externe, les domaines s'alignent tous dans la même direction, de sorte que la combinaison des champs magnétiques individuels des domaines génère un champ global plus important qui émerge du matériau.

En outre, les matériaux ferromagnétiques ont la propriété unique de se magnétiser spontanément. Cela se produit lorsque les domaines s'alignent spontanément les uns sur les autres malgré l'absence d'un champ externe. Généralement, cela se produit lorsque le matériau est placé dans un environnement très froid, ce qui refroidit les atomes du matériau et élimine les grandes vibrations des atomes. Chaque matériau ferromagnétique a une température spécifique appelée température de Curie, qui indique la température en dessous de laquelle le matériau présentera une magnétisation spontanée.

C'est pourquoi les matériaux ferromagnétiques sont les matériaux idéaux à utiliser lorsque nous avons besoin d'aimants puissants tels que les barres aimantées ou les électro-aimants ; ils conservent leurs propriétés magnétiques malgré l'absence d'un champ extérieur et sont facilement magnétisables.

Paramagnétisme

Contrairement aux matériaux ferromagnétiques, les paramagnétiques présentent un champ magnétique beaucoup plus faible lorsqu'ils sont exposés à un champ externe, et présentent une force d'attraction pour le champ externe. Cela est dû à un nombre inégal d'électrons en orbite autour du dipôle atomique. De plus, contrairement aux ferromagnétiques, les dipôles atomiques internes se désalignent lorsqu'un champ externe est supprimé en raison des vibrations des atomes causées par l'énergie thermique de la substance.

Diamagnétisme

Le diamagnétisme est une propriété présente dans tous les matériaux et peut être considéré comme l'opposé du paramagnétisme ; la structure interne fait en sorte que le matériau présente une force répulsive au champ externe plutôt qu'une force attractive, comme le ferromagnétisme et le paramagnétisme. Malgré cela, la force de répulsion générée par les matériaux diamagnétiques est généralement très faible, de sorte que nous ne pouvons pas les observer dans la vie de tous les jours.

Propriétés des matériaux magnétiques

Alors, comment classer un objet dans la catégorie des aimants ? Passons en revue quelques propriétés que présentent tous les aimants.

Perméabilité magnétique

La perméabilité magnétique d'une substance est une mesure du degré de magnétisation de la substance en réponse à un champ externe. Dans le contexte des domaines magnétiques, elle indique la facilité avec laquelle ces domaines s'alignent dans le matériau lorsqu'ils sont exposés à un champ. Par conséquent, une perméabilité magnétique élevée révèle qu'un matériau peut être extrêmement facilement magnétisé, un exemple étant un matériau ferromagnétique. D'autre part,

Fig. 4 - L'alignement des domaines magnétiques fait que le matériau présente un champ magnétique externe.

La figure ci-dessus est un exemple de l'aspect des domaines magnétiques internes d'un matériau lorsqu'ils sont alignés, ce qui nous indique que le matériau est magnétisé. Cependant, elle ne nous renseigne pas sur la perméabilité magnétique du matériau, car celle-ci dépend de la structure électronique interne.

Susceptibilité magnétique

La susceptibilité magnétique est similaire à la perméabilité en ce sens qu'elle explique comment un matériau réagit à un champ extérieur, mais dans ce cas, elle montre si le champ magnétique interne du matériau est aligné contre le champ extérieur ou aligné avec le champ extérieur. Lorsque des matériaux tels que les ferromagnétiques et les paramagnétiques sont magnétisés, ils subissent une force d'attraction, ce qui indique que leur champ est aligné sur le champ externe. En revanche, les matériaux tels que les diamagnétiques subissent une force répulsive, ce qui indique que leur champ est aligné contre le champ externe.

Exemples de matériaux magnétiques

Revenons à un exemple simple d'aimant que nous utilisons régulièrement dans les travaux pratiques de physique, le barreau aimanté. Nous savons que cet aimant reste magnétisé même en l'absence de champ magnétique grâce au fait que nous pouvons le coller à d'autres aimants, comme un aimant collé à une porte de réfrigérateur, ou un aimant utilisé pour ramasser des trombones. Cela nous révèle que ces derniers sont constitués de matériaux ferromagnétiques ; des exemples de ces matériaux sont le fer, le cobalt, le nickel et bien d'autres.

Fig. 5 - L'aiguille d'une boussole est composée d'un matériau ferromagnétique, l'acier, un alliage de fer.

Un autre exemple clé de l'utilisation des ferromagnétiques est l'aiguille d'une boussole ! Si tu as déjà essayé d'utiliser une vieille boussole, tu sais que quelle que soit la direction vers laquelle tu te tournes, l'aiguille de la boussole indiquera toujours le vrai nord. Cela est dû au fait que la Terre a son propre champ magnétique intrinsèque, par conséquent l'aiguille magnétisée est toujours attirée par le pôle nord, ce qui en fait un dispositif parfait pour les voyageurs perdus en mer.

Matériau de blindage magnétique

Jusqu'à présent, dans cet article, nous avons parlé des différents types de matériaux magnétiques et de la façon dont ils réagissent sous l'influence d'un champ extérieur. Cependant, étant donné que tous les matériaux subissent un certain effet en présence de champs magnétiques, y en a-t-il qui peuvent empêcher les lignes de champ de pénétrer à travers ?

Le blindage magnétique est extrêmement important dans les foyers où de nombreux fils différents sont connectés les uns aux autres, car le champ magnétique généré par le courant dans un fil peut affecter les autres et déformer le signal. Les lignes de champ magnétique ne peuvent jamais être isolées car les aimants forment toujours des dipôles complets, ce qui signifie que les lignes de champ partant du pôle nord atteindront toujours le pôle sud de l'aimant pour former une boucle complète. Par conséquent, pour empêcher les lignes de champ de s'échapper, nous essayons plutôt de les rediriger. En entourant ces fils d'un matériau à forte perméabilité magnétique, les lignes de champ externes seront alors alignées sur les lignes de champ du matériau de recouvrement, ce qui leur permettra de former des boucles complètes sans s'échapper.