Propriétés magnétiques des matériaux – Définition

La propriété magnétique fait référence à la réponse d’un matériau à un champ magnétique appliqué . Les propriétés magnétiques macroscopiques d’un matériau sont une conséquence des interactions entre un champ magnétique extérieur et les moments dipolaires magnétiques des atomes qui le constituent. Différents matériaux réagissent différemment à l’application du champ magnétique. Les effets les plus connus se produisent dans les matériaux ferromagnétiques, qui sont fortement attirés par les champs magnétiques et peuvent être magnétisés pour devenir des aimants permanents, produisant eux-mêmes des champs magnétiques. Seules quelques substances sont ferromagnétiques. Les plus courants sont le fer, le cobalt et le nickel et leurs alliages.

Types de magnétisme

Cinq types de base de magnétisme ont été observés et classés sur la base du comportement magnétique des matériaux en réponse à des champs magnétiques à différentes températures. De ce point de vue, ces types de matériaux sont:

• Matériau diamagnétique. Les matériaux diamagnétiques sont ceux que certaines personnes considèrent généralement comme non magnétiques. Les matériaux diamagnétiques sont repoussés par un champ magnétique; un champ magnétique appliqué crée un champ magnétique induit en eux dans la direction opposée, provoquant une force répulsive. Le diamagnétisme résulte de changements dans le mouvement orbital des électrons qui sont induits par un champ externe. Les matériaux diamagnétiques comprennent l’eau, le bois, la plupart des composés organiques tels que le pétrole et certains plastiques, et de nombreux métaux, y compris le cuivre, en particulier les métaux lourds avec de nombreux électrons de base, tels que le mercure, l’or et le bismuth. L’effet est extrêmement faible (avec des susceptibilités de l’ordre de -10 ^-5) et en opposition avec le domaine appliqué. Les matériaux diamagnétiques, comme l’eau, ou les matériaux à base d’eau, ont une perméabilité magnétique relative inférieure ou égale à 1, et donc une susceptibilité magnétique inférieure ou égale à 0, puisque la susceptibilité est définie comme χ _v = μ _v − 1 Les matériaux diamagnétiques et paramagnétiques sont considérés comme non magnétiques car les aimantations sont relativement faibles et ne persistent que lorsqu’un champ appliqué est présent. Si χ (susceptibilité magnétique) est négatif, le matériau est diamagnétique. Dans ce cas, le champ magnétique dans le matériau est affaibli par l’aimantation induite. Les matériaux diamagnétiques sont repoussés par les champs magnétiques. Par exemple, la susceptibilité magnétique des dia-aimants tels que l’eau est χ _v = −9,05×10⁻⁶. Le matériau le plus fortement diamagnétique est le bismuth, χ _v = −1,66×10⁻⁴. Généralement, les matériaux non magnétiques sont dits para- ou diamagnétiques car ils ne possèdent pas d’aimantation permanente sans champ magnétique externe.
• Matériaux paramagnétiques. Les matériaux paramagnétiques sont ceux qui ont des dipôles atomiques permanents, sur lesquels on agit individuellement et alignés dans la direction d’un champ externe. Les matériaux diamagnétiques et paramagnétiques sont considérés comme non magnétiques car les magnétisations sont relativement faibles et ne persistent que lorsqu’un champ appliqué est présent. Si χ (susceptibilité magnétique) est positif, un matériau peut être paramagnétique. Dans ce cas, le champ magnétique dans le matériau est renforcé par l’aimantation induite. Les matériaux paramagnétiques comprennent la plupart des éléments chimiques et certains composés. Ils ont une perméabilité magnétique relative légèrement supérieure à 1 (c’est-à-dire une petite susceptibilité magnétique positive) et sont donc attirés par les champs magnétiques. Généralement, les matériaux non magnétiques sont dits para- ou diamagnétiques car ils ne possèdent pas d’aimantation permanente sans champ magnétique externe.
• Matériaux ferromagnétiques. Le ferromagnétisme est le mécanisme de base par lequel un matériau forme un aimant permanent (c’est-à-dire des matériaux qui peuvent être magnétisés par un champ magnétique externe et rester magnétisés après la suppression du champ externe). Le ferromagnétisme est le type le plus fort et est responsable de ce phénomène commun. Les matériaux ferromagnétiques, ferrimagnétiques ou antiferromagnétiques possèdent une magnétisation permanente même sans champ magnétique externe et n’ont pas de susceptibilité au champ nul bien définie. Les moments magnétiques permanents dans les matériaux ferromagnétiques résultent de moments magnétiques atomiques dus à des spins d’électrons non appariés en raison de la structure électronique. Il existe également une contribution du moment magnétique orbital qui est faible par rapport au moment de spin. Ainsi, même en l’absence de champ appliqué, les moments magnétiques des électrons dans le matériau s’alignent spontanément parallèlement les uns aux autres. Chaque matériau ferromagnétique a sa propre température individuelle, appelée température de Curie, ou point de Curie, au-dessus duquel il perd ses propriétés ferromagnétiques. En effet, la tendance thermique au désordre l’emporte sur la baisse d’énergie due à l’ordre ferromagnétique. Seules quelques substances sont ferromagnétiques. Les plus courants sont le fer, le cobalt, le nickel et la plupart de leurs alliages, ainsi que certains composés de métaux de terres rares. Le ferromagnétisme est très important dans l’industrie et la technologie moderne. Les matériaux ferromagnétiques peuvent être divisés en matériaux magnétiquement « doux » comme le fer recuit, qui peuvent être magnétisés mais n’ont pas tendance à rester magnétisés, et en matériaux magnétiquement « durs », qui le sont. Les aimants permanents sont fabriqués à partir de matériaux ferromagnétiques « durs » tels que l’alnico et la ferrite qui sont soumis à un traitement spécial dans un champ magnétique puissant lors de la fabrication pour aligner leur structure microcristalline interne,
• Matériaux antiferromagnétiques. Dans un antiferromagnétique, contrairement à un ferromagnétique, les moments magnétiques intrinsèques des électrons de valence voisins ont tendance à pointer dans des directions opposées. Lorsque tous les atomes sont disposés dans une substance de manière à ce que chaque voisin soit antiparallèle, la substance est antiferromagnétique. Les antiferromagnétiques ont un moment magnétique net nul, ce qui signifie qu’aucun champ n’est produit par eux. L’oxyde de manganèse (MnO) est un matériau qui affiche ce comportement. Généralement, l’ordre antiferromagnétique peut exister à des températures suffisamment basses, mais disparaît à et au-dessus de la température de Néel. Au-dessus de la température de Néel, le matériau est typiquement paramagnétique, c’est-à-dire que l’énergie thermique devient suffisamment importante pour détruire l’ordre magnétique microscopique au sein du matériau. La température de Néel de MnO est d’environ 116K.
• Matériaux ferrimagnétiques. Les caractéristiques magnétiques macroscopiques des ferromagnétiques et des ferrimagnétiques sont similaires, la distinction réside dans la source des moments magnétiques nets. Un matériau ferrimagnétique est un matériau qui a des populations d’atomes avec des moments magnétiques opposés, comme dans l’antiferromagnétisme ; cependant, dans les matériaux ferrimagnétiques, les moments opposés sont inégaux et une aimantation spontanée subsiste. Les matériaux ferromagnétiques, ferrimagnétiques ou antiferromagnétiques possèdent une magnétisation permanente même sans champ magnétique externe et n’ont pas de susceptibilité au champ nul bien définie. Les ferrites (largement utilisés dans les produits ménagers tels que les aimants de réfrigérateur) sont généralement des composés céramiques ferrimagnétiques dérivés d’oxydes de fer. Magnétite (Fe₃O₄) est un exemple célèbre.

Dans les centrales nucléaires et dans les centrales électriques en général, le bon choix des matériaux est crucial dans le générateur principal où de forts champs magnétiques sont présents. En général, un générateur principal est composé d’une partie tournante et d’une partie fixe:

• Stator. Le stator est la partie fixe d’un générateur électrique, qui entoure le rotor. Le stator a un enroulement de fil dans lequel le champ changeant induit un courant électrique
• Rotor. Le rotor est la partie tournante d’un générateur électrique et génère un champ magnétique.

Perméabilité – Perméabilité relative

En électromagnétisme, la perméabilité est la mesure de la résistance d’une substance à la formation d’un champ magnétique. Le champ magnétique auxiliaire H représente comment un champ magnétique B influence l’organisation des dipôles magnétiques dans une substance donnée. L’intensité du champ magnétique et la densité de flux sont liées selon:

Dans cette équation, B représente l’amplitude de l’intensité du champ interne dans une substance soumise à un champ H. La perméabilité a des dimensions de webers par ampère-mètre (Wb/Am) ou de henrys par mètre (H/m). La constante de perméabilité μ₀, également appelée constante magnétique ou perméabilité de l’espace libre, est une mesure de la quantité de résistance rencontrée lors de la formation d’un champ magnétique dans un vide classique. Cette constante est très importante, car l’une des propriétés magnétiques importantes est la perméabilité relative (sans dimension), le rapport de la perméabilité dans un matériau à la perméabilité dans le vide.

Selon la référence NIST sur les constantes physiques fondamentales, la constante magnétique a la valeur exacte (définie)

μ ₀  = 4π × 10⁻⁷  H/m ≈ 12,57×10⁻⁷  H/m.

Une propriété étroitement liée des matériaux est la susceptibilité magnétique, qui est un facteur de proportionnalité sans dimension qui indique le degré de magnétisation d’un matériau en réponse à un champ magnétique appliqué.

Ni μ_r ni χ sont des constantes, car elles peuvent varier avec la position dans le milieu. Ils dépendent non seulement du matériau mais aussi de l’amplitude du champ, H, de la fréquence du champ magnétique appliqué, de l’humidité, de la température et d’autres paramètres. Presque tous les matériaux répondent à un champ magnétique en devenant magnétisés, mais la plupart sont paramagnétiques avec une réponse si faible qu’elle n’est d’aucune utilité pratique. Quelques-uns, cependant, contiennent des atomes qui ont de grands moments dipolaires et ont la capacité de magnétiser spontanément (c’est-à-dire d’aligner leurs dipôles en parallèle). Ceux-ci sont appelés matériaux ferromagnétiques et ferrimagnétiques (le second est appelé ferrites en abrégé), et ce sont eux qui ont une réelle utilité pratique. Les matériaux ferromagnétiques, ferrimagnétiques ou antiferromagnétiques possèdent une magnétisation permanente même sans champ magnétique externe et n’ont pas une susceptibilité au champ nul bien définie.

Susceptibilité magnétique

En électromagnétisme, la susceptibilité magnétique est la mesure de l’aimantation d’une substance. La susceptibilité magnétique est un facteur de proportionnalité sans dimension qui indique le degré d’aimantation d’un matériau en réponse à un champ magnétique appliqué. L’amplitude de M est proportionnelle au champ appliqué comme suit:

La susceptibilité magnétique et la perméabilité relative sont liées comme suit:

Cela permet une classification simple de la réponse de la plupart des matériaux à un champ magnétique appliqué en deux catégories: un alignement avec le champ magnétique, χ>0, appelé paramagnétisme, ou un alignement contre le champ, χ<0, appelé diamagnétisme.

• Matériau diamagnétique. Les matériaux diamagnétiques sont ceux que certaines personnes considèrent généralement comme non magnétiques. Les matériaux diamagnétiques sont repoussés par un champ magnétique; un champ magnétique appliqué crée un champ magnétique induit en eux dans la direction opposée, provoquant une force répulsive. Le diamagnétisme résulte de changements dans le mouvement orbital des électrons qui sont induits par un champ externe. Les matériaux diamagnétiques comprennent l’eau, le bois, la plupart des composés organiques tels que le pétrole et certains plastiques, et de nombreux métaux, y compris le cuivre, en particulier les métaux lourds avec de nombreux électrons de base, tels que le mercure, l’or et le bismuth. L’effet est extrêmement faible (avec des susceptibilités de l’ordre de -10^-5) et en opposition avec le domaine appliqué. Les matériaux diamagnétiques, comme l’eau, ou les matériaux à base d’eau, ont une perméabilité magnétique relative inférieure ou égale à 1, et donc une susceptibilité magnétique inférieure ou égale à 0, puisque la susceptibilité est définie comme χ _v = μ _v − 1 Les matériaux diamagnétiques et paramagnétiques sont considérés comme non magnétiques car les aimantations sont relativement faibles et ne persistent que lorsqu’un champ appliqué est présent. Si χ (susceptibilité magnétique) est négatif, le matériau est diamagnétique. Dans ce cas, le champ magnétique dans le matériau est affaibli par l’aimantation induite. Les matériaux diamagnétiques sont repoussés par les champs magnétiques. Par exemple, la susceptibilité magnétique des dia-aimants tels que l’eau est χ _v = −9,05×10⁻⁶. Le matériau le plus fortement diamagnétique est le bismuth, χ_v = −1,66×10⁻⁴. Généralement, les matériaux non magnétiques sont dits para- ou diamagnétiques car ils ne possèdent pas d’aimantation permanente sans champ magnétique externe.
• Matériaux paramagnétiques. Les matériaux paramagnétiques sont ceux qui ont des dipôles atomiques permanents, sur lesquels on agit individuellement et alignés dans la direction d’un champ externe. Les matériaux diamagnétiques et paramagnétiques sont considérés comme non magnétiques car les magnétisations sont relativement faibles et ne persistent que lorsqu’un champ appliqué est présent. Si χ (susceptibilité magnétique) est positif, un matériau peut être paramagnétique. Dans ce cas, le champ magnétique dans le matériau est renforcé par l’aimantation induite. Les matériaux paramagnétiques comprennent la plupart des éléments chimiques et certains composés. Ils ont une perméabilité magnétique relative légèrement supérieure à 1 (c’est-à-dire une petite susceptibilité magnétique positive) et sont donc attirés par les champs magnétiques. Généralement, les matériaux non magnétiques sont dits para- ou diamagnétiques car ils ne possèdent pas d’aimantation permanente sans champ magnétique externe.

Une propriété étroitement liée des matériaux est la perméabilité relative, qui est le rapport de la perméabilité dans un matériau à la perméabilité dans le vide. En général, la perméabilité est la mesure de la résistance d’une substance contre la formation d’un champ magnétique.

Ni μ _r ni χ sont des constantes, car elles peuvent varier avec la position dans le milieu. Ils dépendent non seulement du matériau mais aussi de l’amplitude du champ, H, de la fréquence du champ magnétique appliqué, de l’humidité, de la température et d’autres paramètres. Presque tous les matériaux répondent à un champ magnétique en devenant magnétisés, mais la plupart sont paramagnétiques avec une réponse si faible qu’elle n’est d’aucune utilité pratique. Quelques-uns, cependant, contiennent des atomes qui ont de grands moments dipolaires et ont la capacité de magnétiser spontanément (c’est-à-dire d’aligner leurs dipôles en parallèle). Ceux-ci sont appelés matériaux ferromagnétiques et ferrimagnétiques (le second est appelé ferrites en abrégé), et ce sont eux qui ont une réelle utilité pratique. Les matériaux ferromagnétiques, ferrimagnétiques ou antiferromagnétiques possèdent une magnétisation permanente même sans champ magnétique externe et n’ont pas une susceptibilité au champ nul bien définie.

1. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 et 2. Janvier 1993.
2. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
3. William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
4. En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
5. Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
6. Gonzalez-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1
7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir au dessus:

Propriétés des matériaux