Paramagnétisme : définition et exemples

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Le paramagnétisme est la propriété de certains matériaux dans lesquels, lorsqu’ils sont soumis à un champ magnétique, une force est générée, qui disparaît lorsque le champ est supprimé. Avant d’expliquer le paramagnétisme, regardons d’abord quelques idées sur le magnétisme et les champs magnétiques.

Magnétisme et champs magnétiques

Le magnétisme est l’une des trois interactions de la matière envisagées par la physique classique, c’est-à-dire la physique newtonienne, avec l’attraction gravitationnelle et les interactions électriques. Autrefois on avait déjà observé que certains matériaux attiraient le fer, et c’est dans la Grèce antique que le terme « magnétique » trouve son origine, associé à un minéral de fer aux propriétés ferromagnétiques. Puis une application fondamentale du magnétisme a été découverte en Chine, la boussole, qui aligne une aiguille aimantée dans le champ magnétique terrestre permettant de s’orienter dans n’importe quel environnement géographique. Le magnétisme et l’électricité sont liés, comme Hans Christian Oersted l’a démontré pour la première fois en 1820 lorsqu’il a observé qu’un courant électrique produisait une force magnétique. Une charge électrique en mouvement génère un champ magnétique, tandis qu’un champ magnétique en mouvement génère un courant électrique. Cette dernière affirmation est le principe de fonctionnement des générateurs électriques, qui en faisant tourner un champ magnétique avec un moteur génèrent un courant électrique. Cette association entre charges électriques en mouvement et champs magnétiques est essentielle pour comprendre le comportement des matériaux magnétiques et le paramagnétisme.

Un électron est une charge électrique négative, et se déplacer dans un atome génère un champ magnétique ; c’est l’origine des propriétés magnétiques des matériaux. Ce sont les électrons et leur mouvement qui génèrent le magnétisme des matériaux. Le champ magnétique s’entend comme la répartition des forces en chaque point autour de la source du champ , qui aura une amplitude , une direction et une direction .; La figure de présentation de l’article montre le champ magnétique d’un barreau magnétique, avec ses deux pôles d’attraction. Les électrons et leur mouvement génèrent des champs magnétiques de deux manières, liées aux types de mouvement qu’ils développent dans l’atome : mouvement orbital autour du noyau et rotation sur lui-même, son spin. Ce dernier, le moment magnétique de spin, est le plus important en raison de sa grandeur. Le moment magnétique de l’atome est la somme des moments magnétiques des électrons. Les électrons occupent les orbitales atomiques par paires, avec des spins dans des directions opposées ; le moment magnétique de spin des paires d’électrons dans la même orbitale sera nul. puisqu’ils s’annulent lorsqu’ils ont des directions opposées. Par conséquent, seuls les atomes dont les orbitales ne sont pas complètes, qui n’ont qu’un seul électron, ils auront un moment magnétique net, et l’intensité dépendra du nombre d’orbitales avec un seul électron. Le fer, par exemple, a 26 électrons et 4 3 orbitales.d sont occupés par un seul électron ; Le cobalt, avec 27 électrons, a 3 orbitales 3d occupées par un seul électron.

Matériaux ferromagnétiques et ferrimagnétiques

Dans un matériau, les moments magnétiques atomiques sont désordonnés, suivant des directions différentes. Lorsque tous les moments magnétiques atomiques d’un matériau sont ordonnés dans le même sens et dans le même sens, ils s’additionnent et génèrent l’aimantation du matériau. Dans ce cas, nous avons un matériau ferromagnétique, qui a un champ magnétique permanent. Cet ordre des moments magnétiques atomiques est généré spontanément dans certains matériaux, mais il ne dépend pas seulement de l’élément, mais aussi de son organisation microscopique, et en particulier de la structure cristalline. Un matériau qui génère une aimantation permanente spontanée peut être composé de secteurs microscopiques avec des directions d’aimantation différentes, comme le montre la figure suivante. Dans ce cas,

Orientation d'un matériau ferromagnétique sectorisé par application d'un champ magnétique externe
Orientation d’un matériau ferromagnétique sectorisé par application d’un champ magnétique externe

Le fer (Fe), le cobalt et le nickel sont des éléments qui, formant des structures cristallines en tant qu’éléments ou faisant partie de molécules, constituent des matériaux ferromagnétiques. Un composé ferromagnétique composé de fer est l’oxyde ferreux diferrique, Fe 3 O 4 , appelé magnétite, qui a donné le terme magnétique.

Une autre façon d’orienter les moments magnétiques atomiques dans un matériau peut être dans la même direction mais dans la direction opposée en lignes alternées, comme le montre la figure suivante. L’amplitude du moment magnétique étant différente pour chaque direction, l’ensemble a une aimantation nette. Ces matériaux sont appelés ferrimagnétiques et, comme les ferromagnétiques, sont magnétisés en permanence. Les ferrites sont le matériau ferrimagnétique le plus répandu. Les ferrites sont un groupe de composés de fer alliés au baryum, au zinc, au cobalt, au strontium, au manganèse, au molybdène ou au nickel, qui forment des structures cristallines cubiques centrées. Leur importance réside dans le fait qu’il s’agit de matériaux à aimantation permanente mais qu’ils ne sont pas conducteurs de l’électricité et qu’ils possèdent de très bonnes propriétés mécaniques. Ses applications vont des aimants dans les réfrigérateurs à l’encre dans les imprimantes laser. Ils formaient le noyau de la mémoire des premiers ordinateurs et, sous forme de poudre, ils sont utilisés dans les bandes et bandes d’enregistrement de données, dans les peintures et dans de nombreuses autres applications.

Ordonnancement du moment magnétique atomique dans un matériau ferrimagnétique
Ordonnancement du moment magnétique atomique dans un matériau ferrimagnétique

matériaux paramagnétiques

Un matériau paramagnétique est un matériau dont les moments magnétiques atomiques sont ordonnés dans un champ magnétique, et qui sera donc soumis à une force lorsqu’il est placé dans un champ magnétique, mais lorsque le champ magnétique externe cesse, ses moments magnétiques atomiques redeviennent désordonnés et ne ne conserve pas l’aimantation. Quelques exemples de matériaux paramagnétiques sont l’oxyde de fer (FeO) et les complexes de métaux de transition : chrome, cuivre, manganèse, scandium, titane et vanadium. Mais tous les matériaux ferromagnétiques et ferrimagnétiques deviennent paramagnétiques lorsqu’ils sont chauffés au-dessus d’une certaine température, appelée température de Curie (T c ) . Par exemple, la température de Curie du fer est de 770 oC , celle du cobalt est de 1127 oC et celle de la magnétite 585 o C.

Dans les matériaux paramagnétiques, la température affecte la force magnétique générée dans le matériau lorsqu’un champ magnétique externe est appliqué, car à mesure que la température augmente, l’ordre des moments magnétiques atomiques diminue. Ceci est exprimé dans la loi de Curie. par l’expression suivante :

χ = C/T

où χ est la susceptibilité magnétique, T est la température absolue (en Kelvin) et C est un paramètre dépendant du matériau, la constante de Curie.

L’aimantation M d’un matériau paramagnétique dépend également de l’intensité du champ magnétique externe H. L’expression de l’aimantation est :

M = χH = (C/T)H

Cette expression est valable pour des températures élevées et pour des champs magnétiques extérieurs faibles ; cependant, il perd sa validité lorsque tous les moments magnétiques atomiques sont proches d’être complètement alignés. À ce stade, même si le champ magnétique externe est augmenté ou si la température est diminuée, il n’y aura aucun effet sur l’aimantation du matériau, car il n’y aura aucun changement dans l’ordre des moments magnétiques atomiques. C’est un point de saturation magnétique .

L’idée de saturation s’observe clairement dans l’extension de la loi de Curie aux matériaux ferromagnétiques dans la loi dite de Curie-Weiss, introduisant la température de Curie T c que nous avons vue précédemment :

χ = C/(TT c )

Cette expression n’a de sens que pour des valeurs de température supérieures à la température de Curie, situation dans laquelle le matériau se comporte comme paramagnétique ; pour des valeurs de température inférieures ou égales à la température de Curie, le matériau est ferromagnétique et son aimantation prend la valeur maximale possible.

Sources

Amikam Aharoni. Introduction à la théorie du ferromagnétisme . Deuxième édition. Presse universitaire d’Oxford, 2000.

Rolf E. Hummel. Propriétés électroniques des matériaux . Springer, 2011.

WKH Panofski et M. Philips. Électricité et magnétisme classiques . New York : Douvres, 2005.

Cours Fondamentaux des matériaux, UPV. https://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm10/trb10_2.html

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Sergio Ribeiro Guevara (Ph.D.)
(Doctor en Ingeniería) - COLABORADOR. Divulgador científico. Ingeniero físico nuclear.

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