Questions sur le ferromagnétisme

Quelle est la différence entre les matériaux "ferromagnétiques" et "magnétiques" ?

Dans le langage courant, les termes "magnétique" et "ferromagnétique" sont souvent utilisés comme synonymes, ce qui n'est toutefois pas tout à fait correct d'un point de vue technique.

Il s'agit d'un matériau ou d'un objet "ferromagnétique" lorsqu'un aimant y adhère. Ainsi, si un aimant adhère à un marteau, le marteau est dit ferromagnétique. Dans le langage courant, on parle souvent à tort d'un objet magnétique.

Quels objets sont attirés par un aimant ?

Les aimants n'attirent que les matériaux ferromagnétiques (voir explication ci-dessus). Peu importe qu'il s'agisse d'un aimant en ferrite, en néodyme ou d'un électroaimant.

En font partie :
- le fer (Fe)
- le nickel (Ni)
- le cobalt (Co)

Remarque : on nous demande souvent si l'acier inoxydable ou l'aluminium sont ferromagnétiques, c'est-à-dire s'ils sont attirés par un aimant.

L'aluminium fait partie des métaux paramagnétiques et n'est que très faiblement attiré par un aimant, de sorte qu'il n'est pas adapté pour y faire adhérer un aimant.

Pour l'acier inoxydable, il n'est pas possible de répondre à cette question de manière générale, car il existe de nombreux types et compositions d'acier inoxydable. S'il s'agit d'acier inoxydable ferromagnétique, on l'appelle aussi acier ferritique. En revanche, l'acier austénitique est le plus souvent non ferromagnétique.

S'y ajoutent encore quelques terres rares, qui ne sont toutefois ferromagnétiques qu'à des températures nettement plus basses. À température ambiante, elles ne sont que paramagnétiques (voir explication ci-dessous). Elles ne sont donc que très faiblement attirées par les aimants :
- terbium (Tb)
- erbium (Er)
- gadolinium (Gd)
- holmium (Ho)
- dysprosium (Dy)

Ferromagnétisme

Les matériaux ferromagnétiques (fer, cobalt, nickel à température ambiante, resp. alliages spéciaux) sont des matériaux qui présentent une magnétisation spontanée dans un champ magnétique externe et sont ainsi attirés par le champ magnétique. Dans ce cas, les aimants élémentaires déjà présents dans le matériau ferromagnétique et orientés dans le même sens sont alignés par le champ magnétique externe. Lorsque le champ magnétique externe est désactivé ou que le matériau ferromagnétique est retiré du champ magnétique, l'alignement des aimants élémentaires disparaît à l'exception d'une aimantation résiduelle (rémanence). Pour les matériaux magnétiques doux, cette rémanence est très faible. Dans le cas des matériaux magnétiques durs, une rémanence&nbsp considérable peut subsister (voir aussi l'hystérésis des aimants).
La cause réelle du ferromagnétisme ne peut pas être décrite de manière classique, mais on a plutôt besoin de la mécanique quantique, plus précisément de l'interaction d'échange, qui est responsable de l'alignement parallèle des spins des électrons dans les matériaux ferromagnétiques. Mais comme les électrons de même spin doivent se différencier dans l'état local (principe de Pauli), un alignement des spins s'accompagne d'une augmentation de l'énergie cinétique. Ce n'est donc que si la baisse de l'énergie potentielle due à l'interaction d'échange dépasse l'augmentation de l'énergie cinétique qu'il peut y avoir un redressement des spins des électrons en tant que porteurs des moments magnétiques et donc une propriété ferromagnétique du matériau. C'est la raison pour laquelle la grande majorité des éléments chimiques connus ne présentent pas de ferromagnétisme. En tant qu'éléments chimiques purs, comme nous l'avons déjà mentionné, seuls le fer, le cobalt et le nickel présentent cette propriété ferromagnétique à température ambiante.
En revanche, tous les éléments et substances présentent des propriétés dites diamagnétiques.

Paramagnétisme

Dans le cas des substances paramagnétiques, un champ magnétique externe permet d'orienter partiellement les moments magnétiques des molécules qui sont sans ordre. Le degré d'orientation, et donc le champ magnétique induit, est proportionnel au champ magnétique appliqué (perméabilité magnétique >1), mais ce champ disparaît immédiatement après la désactivation du champ magnétique externe.
Les substances paramagnétiques sont attirées, comme les substances ferromagnétiques, dans la zone d'intensité de champ plus élevée, c'est-à-dire dans le champ magnétique.
Le paramagnétisme est cependant nettement plus faible que le ferromagnétisme.
Le paramagnétisme n'existe que pour les éléments/molécules avec des électrons non appariés et un moment magnétique.
L'explication physique causale fournit à nouveau des processus de mécanique quantique.

Diamagnétisme

Le diamagnétisme apparaît chez tous les éléments et substances. Cependant, comme le diamagnétisme est de plusieurs ordres de grandeur plus faible que le ferro et le paramagnétisme, il n'est détectable de manière mesurable que pour les substances qui ne présentent pas de ferro et de paramagnétisme.
Les substances diamagnétiques sont repoussées hors d'un champ magnétique vers une intensité de champ plus faible. Les aimants en diamant sont caractérisés par une perméabilité magnétique <1 (susceptibilité magnétique négative). Cela signifie que le facteur de proportionnalité entre l'induit et le champ extérieur est <1.
A titre de comparaison, il est <1 pour les substances paramagnétiques, la relation n'est pas linéaire pour les ferromagnétiques.
Comme le ferromagnétisme, le diamagnétisme ne peut être expliqué que par des effets de mécanique quantique.