Magnétisation

Lorsque la matière est exposée à un champ magnétique, une magnétisation se produit en principe. Cette magnétisation crée un autre champ magnétique dans la matière, qui se superpose au champ magnétique extérieur. On distingue entre des matériaux ayant des propriétés diamagnetiques, paramagnetiques et ferromagnetiques.

Si l'aimantation est orientée dans le même sens que le champ magnétique extérieur, on parle de paramagnétisme. Dans des corps ferromagnétiques, l'aimantation est également orientée dans le même sens que le champ magnétique extérieur, mais elle est beaucoup plus stable que dans des aimants paramagnétiques simples en raison d'une interaction particulière, appelée interaction d'échange.

Dans des matériaux diamagnétiques, l'aimantation est opposée au champ magnétique extérieur. Une forte aimantation peut être observée notamment dans des matériaux ferromagnétiques (par ex. le fer). Cela peut être facilement vérifié par une expérience.

Expérience sur la magnétisation de matériaux ferromagnétiques

Lorsqu'un corps contenant du fer (par exemple des ciseaux) est exposé au champ magnétique puissant d'un aimant, on observe que les ciseaux peuvent par exemple attirer des épingles en fer, même après que l'aimant ait été éloigné des ciseaux. Cette magnétisation résiduelle est appelée rémanence.

Quantification de la magnétisation par la perméabilité magnétique

La magnétisation M, qui s'établit en présence d'un champ magnétique externe donné, est quantifiée par la perméabilité magnétique μ.

Pour simplifier, on peut s'imaginer que la perméabilité μ indique dans quelle mesure le champ magnétique H se modifie sous l'influence de la matière lorsqu'un champ magnétique externe H₀ est appliqué. La formule suivante s'applique : H=μ•H₀. Le champ magnétique H est à son tour la somme du champ magnétique appliqué de l'extérieur H₀ et de la magnétisation du corps M : H=H₀+M. Ainsi, pour la magnétisation, la formule suivante s'applique :

M=H-H₀=μ•H₀-H₀=(μ-1)•H₀
La perméabilité du vide est μ=1. Par conséquent, le vide ne peut pas être magnétisé. La magnétisation M du vide est M=0.

Les matériaux paramagnétiques ont une perméabilité légèrement supérieure à 1. La perméabilité des matériaux diamagnétiques est légèrement inférieure à 1. Par conséquent, la magnétisation est négative. Cela signifie qu'elle est opposée au champ incident externe H₀. Pour un supraconducteur, la perméabilité μ=0. La magnétisation d'un supraconducteur est donc opposée au champ externe et sa valeur est aussi grande que le champ externe. De ce fait, l'intérieur du supraconducteur ne possède pas de champ et le supraconducteur flotte dans le champ magnétique.

Les ferro-aimants peuvent avoir des valeurs de perméabilité très élevées. Pour le fer, μ peut atteindre des valeurs jusqu'à 10 000, des métaux ferromagnétiques particuliers, dits amorphes, atteignent des valeurs de μ = 150 000. Avec des valeurs de perméabilité aussi élevées, la magnétisation dans un champ magnétique externe H₀ est approximativement M ≈ μ•H₀.

Cause physique de la magnétisation

Pour comprendre la cause physique de la magnétisation, on peut imaginer que chaque matière est composée d'atomes comportant des noyaux atomiques et des électrons. Ce sont principalement les électrons qui sont responsables des effets de magnétisation.

Lorsqu'un champ magnétique externe est appliqué, des mouvements d'électrons, c'est-à-dire des courants, sont induits sous l'influence de ce champ magnétique. Cela crée le diamagnétisme (voir illustration). Selon la règle de Lenz, ces courants sont orientés de manière à s'opposer à leur cause. Par conséquent, la magnétisation dans le matériau est opposée au champ externe. Il est cependant possible que des propriétés paramagnétiques ou ferromagnétiques supplémentaires se superposent au diamagnétisme du matériau. En effet, les électrons possèdent un spin électronique qui a des propriétés magnétiques. Dans le matériau, les spins électroniques forment des aimants élémentaires. Le spin possède un moment magnétique fixe. Si dans chaque atome, tous les spins électroniques ne sont pas compensés par un électron de spin opposé (ce qui se produit le plus souvent dans des matériaux ayant un nombre pair d'électrons par atome), alors les moments magnétiques de ces spins peuvent s'aligner dans le champ magnétique externe. Dans ce cas, l'échantillon se comporte lui-même comme un aimant. La magnétisation est orientée dans le même sens que le champ externe.

On parle d'un ferro-aimant lorsqu'il y a une stabilisation de l'orientation des spins atomiques. Cela est dû à l'interaction d'échange. L'orientation de chacun des minuscules aimants élémentaires est stabilisée. Le corps reste alors dans son ensemble visiblement magnétique, même lorsque le champ magnétique externe est coupé, et on observe une rémanence. En revanche, dans des aimants paramagnétiques, la magnétisation disparaît immédiatement lorsque le champ externe est retiré.

On peut démagnétiser un corps ferromagnétique magnétisé en perturbant à nouveau l'alignement des spins électroniques.

Cela peut être réalisé par la chaleur (en chauffant au-dessus de la température de Curie), par des chocs violents ou par un champ magnétique de polarisation inversée.