MAGNéTISME (et CORPS CONCERNéS)

-magnétisme (et corps concernés)

MAGNETISME  est le mot générique exprimant les propriétés magnétiques des corps

Il s’agit de phénomènes conjoints aux phénomènes électriques et tels que :

phénomène magnétique = phénomène électrique (de même nom) x c

 (c étant la constante d'Einstein).

 

Nota: on voit parfois le mot magnétisme utilisé dans un sens très spécifique et très restrictif, à savoir en synonymie de "charge magnétique d'induction  : ce n’est pas à recommander, pour éviter les confusions.

 Il y a 79 atomes de corps simples qui sont magnétiques (dont 18 sont des solides)

 

LA DURETE MAGNETIQUE  représente la conservation du magnétisme par un corps

Donc un matériau "doux", comme le fer, ne le conserve pas

 

LA MAGNETISATION

est une notion inductrice, dimension M.T-2.I-1.A, symbolisée (H), s'exprimant en Tesla-stéradian. Elle provoque (par excitation, une aimantation induite (M)

La magnétisation spatiale (magnétisation répartie dans un angle solide)--est également une notion inductrice, dimension M.T-2.I-1 et on la nomme champ magnétique inducteur (B) --unité le Tesla--et c'est ce champ qui provoque un champ d’excitation (H) champ induit, qui est de ce fait une aimantation spatiale (M/W)

 

LA DEMAGNETISATION

est possible en faisant subir un contre-champ au corps en cause.

-ce peut être un fort champ magnétique constant dans lequel le corps se déplace

-ce peut être aussi un fort champ magnétique décroissant, maisle corps restant immobile

 En alternatif basse fréquence (2 à 8 Hz) les lignes de champ sont profondes (peu de courant de Foucault)

En moyenne fréquence (10 à 15 Hz) les lignes de champ restent en surface

 

LE FERROMAGNÉTISME 

est le cas le plus usuel de magnétisation, où un champ d’induction(B) entraîne dans un matériau un champ d’excitation (H) élevé

Les matières ferromagnétiques sont : Co, Fe, Ni, quelques terres rares (Dy, Gd, Tb, Ho, Er, Tm), magnétite, certains alliages Fe-Ni et des alliages Mn-Al-Cu

Les vecteurs M(aimantation) et H’ (et bien sûr H) sont, d'après la loi de Langevin)  de directions quelconques

Il y a hystérésis quand le champ inducteur B  s’arrête (mais l'état ferromagnétique perdure)

L’énergie développée est E(J)= produit du champ H(mOe) par le moment coulombien Mk(Wb-m-sr)

La susceptibilité magnétique  χm  est positive (allant de +10-7 jusqu’à +10-3 sr)

L’aimantation est forte et prend les qualificatifs de "dure" si très élevée ou "douce" si peu élevée

Il y a en génétal saturation d'aimantation pour le ferromagnétisme: la valeur d'aimantation atteint asymptotiquement un maximum et stagne, même si le champ augmente encore.

 

-la magnétisation de saturation spécifique

est une magnétisation relative à l'angle solide, c'est à dire un champ inducteur

(dimension M.T-2.I-1 exprimée en Tesla)

Ses valeurs pratiques vont de 100 à 300 selon le métal

 

-le domaine de Weiss  est une zone (dans un cristal magnétique) où la magnétisation H’  est uniforme (la longueur d'un tel domaine = 100 à- 5 m)

 

-le ferromagnétisme dépend de la température et au-dessus d’une température limite dite "point de Curie", il se transforme en paramagnétisme (voir § ci-après)

Laloi de Curie-Weiss (qui n’est valable ni à basse température, ni à haute température, près du point critique) définit ce point de Curie

Il s'agit d'une transition de PHASE puisque le matériau ferromagnétique devient paramagnétique   On a   Kχm.ΔT

KQ(K-sr)= constante de Curie (qui est donc l'aspect d'une température à distribuer depuis un angle solide)

Equation de dimensions de la constante de Curie : A.Θ Symbole de désignation : KQ 

Unité S.I.+ : stéradian Kelvin(sr-K)

ΔT(K) > 0 = différence de température (entre celle de l’expérience et celle du point de Curie du corps)

χm(sr)= susceptibilité magnétique

Le point de Curie(ou température de Curie) est celui de la transition de PHASE

 

-relations diverses avec la constante de Curie

KH.V.M/ k    = coefficient de Curie,pour matière aimantable de volume V(m3) comportant n particules,et de concentration de volume molaire V*(m3/mol)

ou Kn.H.V*.M/ k    M(A/m)= aimantation acquise sous la magnétisation H(T-sr)

ou encore Kn.μ.K²/ 3l.k  

k(J/K)= entropie (constante de Boltzmann soit 1,3806503. 10-23 J / K), l(m)= distance

K(A-m)= masse magnétique ampérienne et μ(H-sr/m)= perméabilité magnétique

 

Valeurs de KQ(en °K -sr et arrondies):

Er(30)--Gd(290)--Ferrite Mn-Zn(300 à 700)--Ni(630)--Poudre Fe-Ni(500 à 900)-- Mumétal(670)--Magnétite(850)--Permalloy(873)--Hématite(940)--Acier(1000)--

 Fer(1040)--Ni(1230)--Alliage à 50% de Fe-Co(1250)-- Co(1400)

 

L'ANTIFERROMAGNÉTISME

est un autre cas de magnétisation >> les corps (cristaux) -dits aussi antiferroaimants- ont des sous-réseaux où les moments magnétiques deviennent antiparallèles et égaux (donc à résultante nulle)

 

-rôle de la température

Les corps ne sont antiferromagnétiques qu’au-dessus d’une température de Néel, telle que:  χ= KQ/ (T+TN)

avec χm(sr)= susceptibilité magnétique du cristal suivant la loi de Néel

KQ(K-sr)= constante de Curie

T(K)= température (absolue) de l’expérience

TN(K)= température (absolue) de Néel, qui est une caractéristique de chaque corps

Valeurs pratiques de TN(en °K):  Er(85)--Mn(103)--Fe et ses composés (25 à 200)--

Ti²O3(250)--Cr(473)--NiO(520)

 

-loi de Néel-Brown

Un matériau constitué de grains de matière de l'ordre de 10 à 100 μm. passe :

-d'une part, de l'état ferro(ou ferri)-magnétique à celui de paramagnétique dès lors qu'il est en-dessous de la température de Curie

-d'autre part ceci en un temps trcalculable ainsi = t0.exp(KV / k.T)

où tr(s) = temps de relaxation

t0(s)= temps de base de l'ordre de 5.10-9 s

K(m-3)= constante d'anisotropie entre les divers grains constitutifs

V(m3)= volume moyen des grains

k(J/K)= constante de Boltzmann

T(K)= température

 

LE DIAMAGNÉTISME 

est un état magnétique créé par le mouvement orbital des électrons autour du noyau

Tous les électrons sont ici appariés (2 à 2), donc la résultante des moments magnétiques est nulle

Les matières diamagnétiques sont: Ag, Au, Be, Bi, Cd, Cu, In, graphite, gaz rares, H², Mg, Pd, Sn, Zn, eau, acides, corps organiques, alcalino-terreux, non-métaux...

L'aimantation est très faible (1000 fois moindre que celle du ferromagnétisme)

Les vecteurs M(aimantation), H(et bien sûr Hsont de directions antiparallèles (opposées) donc  χest négatif

Même avec un champ Himportant (10mOe), l’énergie en cause reste faible (10-5J)

La perméabilité magnétique est inférieure à celle du vide

La susceptibilité χpeut descendre à ~ (-1 sr)  si le corps devient supraconducteur

χ= K.MH

avec M(A/m)= aimantation  causée dans un corps magnétisable isotrope, par un champ d’excitation magnétique  H(A/m)

K est un coefficient (numérique), fonction de la température

Pour les métaux, χvarie avec la température et à basse température, elle varie même avec H    Et à l’échelle atomique : χn.e².Ω.Σlr² / 6.(M/ c)²

avec = nombre d’électrons, de charge unitaire e(C)

Ω(sr)= angle solide dans lequel se passe le phénomène (ici l’espace entier soit 4sr)

lr(m)= rayon de trajectoire des électrons

Mg(A/m²)= moment magnétique ampérien

c(m/s)= constante d’Einstein (2,99792458 .10m/s)

 

LE FERRIMAGNÉTISME

est un état magnétique concernant les corps (cristaux) ayant des sous-réseaux dont les moments magnétiques sont antiparallèles et différents (résultante non nulle)

Les corps ferrimagnétiques sont : des ferrites (oxydes), spinelles, grenats, céramiques

Il y a hystérésis, quand le champ inducteur s’arrête

La loi de Curie est valable:

K= 3V.T.(χm/ V)          Kμ.Mg² / 3 V.T.k

KQ(K-sr) est la constante de Curie

T(K)= température (point de Curie) marquant la limite d’aimantation

V(m3)= volume de laimant et Mg(A-m²) est son moment magnétique ampérien

k(J/K)= constante de Boltzmann (1,3806503. 10-23 J / K)

μ(H-sr/m)= perméabilité magnétique ambiante

(χm/ V] (sr/m3) est le coefficient d’aimantation

 

LE PARAMAGNETISME

est la qualité d’un corps où la somme des moments magnétiques des électrons n’est pas nulle (car certains électrons ne sont pas appariés)

Les matières paramagnétiques sont les métaux alcalins, les gaz (sauf rares), quelques sels, les métaux alcalins et Pa, Pt, O², Os, Rh, Ti, W...

Les vecteurs M(aimantation) et H(magnétisation) sont alors parallèles, de même sens.

En première approximation μ.H   et   H' μ.M

Il n’y a pas d’hystérésis: quand le champ inducteur s’arrête, les champs d’excitation  -et l’aimantation- s’arrêtent

La susceptibilité magnétique est positive (de +10-6 jusqu’à +10-3 sr)

L’aimantation est faible (100 fois moins que celle du ferromagnétisme)

-pour certains matériaux (alcalins) l’aimantation est faible et indépendante de la température

-pour d’autres, elle est plus forte et dépend de l’inverse de la température selon la

loi de Langevin  = k.T / μ'.χm

avec k(J/K)= entropie de Boltzmann(1,3806503. 10-23 J / K)

T(K)= température absolue

χm(sr)= susceptibilité magnétique du corps

B(T)= champ d’induction magnétique ambiant

μ(J/T-sr)= magnéton du corps

 

-équation d'état du paramagnétisme à l'échelle microscopique

M= (n.F'L.μ'/ 2V).tgh(F'L.μ'.B) / 2k.T

où les symboles sont les mêmes que ci-dessus avec en outre

M(A/m)= aimantation

= nombre de particules

μ' B= magnéton de Bohr

F'= facteur de Landé

V(m3)= volume

 

 

LE GYROMAGNETISME

est l'ensemble des relations entre gravitation et électromagnétisme.

Voir chapitre spécial   sousce terme

γ' = / m

où γ'(C/kg)= rapport gyromagnétique d’une particule de masse m(kg) chargée de Q(C)

 

LE MAGNETISME de SPIN QUANTIQUE

Magnétisme apparaissant uniquement au niveau atomique

Voir  moment magnétique

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