Introduction à l'électromagnétisme des milieux matériels/Types de magnétisme
Lorsque l’on soumet un matériau à une excitation magnétique, de nombreux comportements différents peuvent être attendus à cause des différentes susceptibilités magnétiques .
Diamagnétisme modifier
Un matériau diamagnétique est un matériau qui, soumis à une excitation magnétique, donne naissance à un champ induit opposé. Ce comportement conduit à un phénomène de répulsion.
La susceptibilité magnétique des matériaux diamagnétiques est donc négative, et est dans les cas les plus courants de l’ordre de .
| Matériau | χm (10-5) |
|---|---|
| Bismuth | -16.6 |
| Carbone (diamant) | -2.1 |
| Carbone (graphite) | -1.6 |
| Cuivre | -1.0 |
| Plomb | -1.8 |
| Mercure | -2.9 |
| Argent | -2.6 |
Les matériaux supraconducteurs sont les matériaux dans lesquels le diamagnétisme montre toute sa force, car ils permettent de créer des phénomènes de répulsion suffisamment forts pour faire léviter des objets.
Pour plus d'information sur les supraconducteurs, voir le chapitre qui leur est consacré.
Paramagnétisme modifier
Un matériau paramagnétique est un matériau qui, soumis à une excitation magnétique, s'aimante dans le même sens que l'excitation appliquée. Les trois images ci-dessous montrent l'aimantation progressive du matériau lorsque le champ augmente.
Lorsque l’on coupe l'excitation, l'aimantation disparaît. Dans ce cas encore, les suscptibilités magnétiques sont très modérées : de l’ordre de , mais positives.
| Matériau | χm (10-5) |
|---|---|
| Tungstène | 6.8 |
| Césium | 5.1 |
| Aluminium | 2.2 |
| Lithium | 1.4 |
| Magnésium | 1.2 |
| Sodium | 0.72 |
Matériaux à ordre magnétique modifier
Domaines de Weiss modifier
Dans un certain nombre de matériaux, on trouve des régions microscopiques dans lesquelles on constate une aimantation spontanée homogène. D'origine quantique (ce phénomène met en jeu en particulier le spin des électrons), ces domaines jouent un rôle important dans le comportement des matériaux lors de l’application d'un champ magnétique.
Ces domaines de Weiss sont séparés par des parois de Bloch.
Ferromagnétisme modifier
Un matériau ferromagnétique est un matériau pour lequel, lors d'une excitation magnétique , les orientations de tous les domaines de Weiss tendent à s'aligner avec ce champ appliqué.
Saturation modifier
Lorsque l'excitation magnétique augmente, et donc que les aimantations s'alignent, les parois de Bloch se déplacent et finissent par disparaître. Ce comportement emmagasine de l'énergie magnétique et le matériau s'aimante.
On constate alors que la relation entre le champ magnétique induit et l'excitation magnétique du matériau n'est plus linéaire car μ dépend fortement de .
- Pour de petites excitations, μ est plutôt faible, on parle de seuil avant que le champ d'excitation H ne produise une induction B significative.
- Pour des excitations plus fortes, μ est de grand à très grand suivant les matériaux en passant par un maximum, là où la pente est maximale.
- Un phénomène de saturation se produit ensuite pour des excitations plus fortes : l'induction magnétique n'augmente plus que très peu pour des fortes excitations, en fait B continue d'augmenter comme H.
Ce phénomène est plus ou moins prononcé suivant les matériaux, comme on peut le voir sur le graphe suivant :
| Courbe | Matériau |
|---|---|
| 1 | Acier feuilleté standard |
| 2 | Acier feuilleté à 2.5% de Si recuit |
| 3 | Soft steel casting |
| 4 | Acier au tungstène |
| 5 | Magnet steel |
| 6 | Fonte |
| 7 | Nickel, 99% |
| 8 | Cast cobalt |
| 9 | Magnétite, Fe2O3 |
Hystérésis modifier
En plus du phénomène de saturation, les matériaux ferromagnétiques ont la capacité, une fois aimantés, de conserver leur aimantation même lorsqu'on supprime l'excitation magnétique. Ceci peut être expliqué par le fait que, pour revenir à l'état initial, il faudrait recréer les parois de Bloch en « retirant » l'aimantation conférée aux domaines magnétiques.
L'induction magnétique restante dans un matériau ferromagnétique préalablement aimanté lorsque l'excitation magnétique disparaît s’appelle l'induction rémanente et est notée .
Ainsi, pour annuler l'induction magnétique dans un matériau qui a préalablement été aimanté, il faut appliquer une excitation magnétique de sens opposée au champ rémanent.
L'excitation magnétique à appliquer pour annuler l'induction rémanente s’appelle le champ coercitif et est noté .
La coalition du champ coercitif et de l'induction rémanente implique que la courbe présente une boucle d'hystérésis.
- Lorsque le champ coercitif d'un matériau ferromagnétique est élevé, on parle de matériau ferromagnétique dur.
- Si au contraire il est faible, on parle de ferromagnétique doux.
Le phénomène d'hystérésis conduit à des pertes. En effet, la magnétisation d'un matériau ferromagnétique absorbe une énergie qui n’est pas totalement restituée lors de la désaimantation. On cherchera donc pour la réalisation de circuits magnétiques à utiliser des ferromagnétiques doux pour avoir les meilleurs rendements possibles.
Ferrimagnétisme modifier
Un matériau ferrimagnétique est un matériau dont les atomes ont des orientations magnétiques antiparallèles au sein d'un même domaine de Weiss, mais dont les amplitudes dans un sens et dans l'autre sont différentes. Il en résulte une aimantation générale du domaine, mais globalement le matériau n'a pas d'aimantation spontanée.
Antiferromagnétisme modifier
Un matériau antiferromagnétique est un matériau dont les atomes ont des orientations magnétiques antiparallèles au sein d'un même domaine, mais cette fois dont les amplitudes dans un sens et dans l'autre sont égales.
