Matériaux magnétiques: Types de Magnétisme, Applications et Origine du Magnétisme – Science et Ingénierie des matériaux

J’ai l’impression que chaque fois que j’apprends quelque chose sur le magnétisme, je me rends compte que ma compréhension précédente était en quelque sorte incorrecte ou trop simplifiée. Au moment où j’écris ceci, j’ai terminé mes cours de doctorat, alors j’espère que j’ai fini de réapprendre les propriétés magnétiques.

Tous les matériaux ont une forme de magnétisme. Les éléments peuvent être diamagnétiques, paramagnétiques ou ferromagnétiques. Les composés constitués de plusieurs éléments peuvent également être ferrimagnétiques ou antiferromagnétiques.

Dans cet article, je veux vous dire tout ce que j’aurais aimé apprendre sur les matériaux magnétiques, la première fois. Je vais rendre les choses aussi simples que possible sans trop simplifier de telle sorte que vous devrez désapprendre quelque chose. Si vous poursuivez un doctorat et qu’un jour votre connaissance du magnétisme dépasse la mienne, j’espère que vous n’aurez pas besoin de désapprendre tout ce que vous avez lu ici.

Cela dit, je suis un scientifique des matériaux spécialisé dans les propriétés mécaniques et non magnétiques. Je vais donner un bref aperçu des champs magnétiques et des bases de la mécanique quantique pour le magnétisme, mais si vous voulez vraiment ces détails, vous feriez mieux de demander à un physicien.

Qu’est-ce que le magnétisme ?

Le “magnétisme” est un terme large qui se rapporte à la moitié de la force électromagnétique. Vous savez intuitivement ce qu’est un aimant, vous avez donc une idée des forces d’attraction et de répulsion. La meilleure façon de décrire le magnétisme est d’utiliser “champs magnétiques.”

Les champs magnétiques sont un sujet que vous avez peut-être appris au lycée mais que vous avez peut-être oublié, alors voici un rappel rapide.

Cliquez ici pour en savoir plus sur les champs magnétiques.

Les champs magnétiques fonctionnent comme les champs électriques. Il y a une source et un puits magnétiques – nous les appelons le “pôle nord” et le “pôle sud” d’un aimant.

Les lignes de champ magnétique vont du pôle nord au pôle sud (ou du pôle sud au pôle nord, vous faites vous).

Chaque pôle nord et sud d’un aimant doit également avoir son côté opposé, mais les lignes de champ peuvent même se déplacer d’un aimant à un autre.

Les lignes de champ magnétique n’existent pas “vraiment”. Ils sont un outil conceptuel pour nous aider à comprendre le comportement magnétique. Les lignes de champ suivent l’énergie potentielle.

Fondamentalement, le pôle magnétique nord réduirait son énergie potentielle en se rapprochant du pôle sud, s’il se déplaçait dans la direction indiquée par les lignes de champ. Un aimant à barres ne peut pas rapprocher ses pôles nord et sud, mais il peut aligner ses pôles nord ou sud sur les pôles sud ou nord d’un aimant différent.

Je suis sûr que vous le saviez, mais lorsque vous avez plusieurs aimants et des arrangements complexes de pôles nord et sud, il est plus facile de considérer simplement comment les champs magnétiques interagissent. Ceci est particulièrement utile lorsqu’il s’agit de l’électromagnétisme complet, car l’électricité peut également générer des champs magnétiques.

Non seulement les lignes de champ magnétique indiquent la polarité (nord vs sud) d’un aimant, mais elles indiquent également la force, ou le flux, d’un champ magnétique. Plus les lignes sont rapprochées, plus le champ magnétique est fort.

Par exemple, dans l’espace entre ces atomes, les lignes de champ sont à peu près également espacées, de sorte que le flux magnétique est à peu près constant. Près de n’importe quel pôle individuel, cependant, vous verrez que les lignes de champ sont très proches les unes des autres. Cela indique que les pôles ont la force magnétique la plus forte.

En d’autres termes, un objet qui serait attiré vers un pôle sud, lorsqu’il serait placé n’importe où, suivrait les lignes de champ jusqu’à ce qu’il atteigne son énergie potentielle minimale à l’un des pôles sud de l’aimant.

Désolé si ce n’était pas la meilleure explication, il y a des classes universitaires entières qui discutent des champs électriques et magnétiques.

Donc, si vous comprenez ce qu’est un champ magnétique, alors un “matériau magnétique” serait un matériau qui réduit son énergie potentielle en suivant les lignes de champ. En d’autres termes, il serait attiré par un pôle nord ou sud.

Du moins, c’est ainsi que la plupart des gens utilisent le mot “magnétique.” En réalité, chaque atome est magnétique. Cependant, il existe différents types de magnétisme atomique – et ces effets magnétiques deviennent encore plus compliqués lorsque les atomes sont disposés dans des structures cristallines.

Si vous êtes avancé dans vos études, vous savez peut-être que le type de magnétisme qui colle aux aimants s’appelle le ferromagnétisme.

Si vous êtes vraiment avancé, vous savez peut-être que le ferromagnétisme n’est pas le seul type de matériau magnétique. En fait, la plupart des aimants de réfrigérateur sont en fait des ferrimagnets.

Quelle que soit votre compréhension actuelle des propriétés magnétiques, cet article va commencer par les bases et couvrir tout cela!

L’origine du magnétisme

Avant de plonger dans les types de magnétisme, je dois aborder l’origine fondamentale du magnétisme.

Le magnétisme est un effet mécanique quantique lié au spin des électrons. La mécanique quantique est notoirement difficile à expliquer de manière intuitive, mais je ferai de mon mieux pour simplifier les choses sans présenter de mensonges.

Cliquez ici pour une explication des nombres Quantiques.

Chaque électron d’un atome a un ensemble spécifique de nombres quantiques. Vous avez peut-être appris cela en chimie au lycée.

Le nombre quantique principal, , décrit l’enveloppe électronique. est la coquille la plus proche de l’atome. Parmi les éléments actuellement découverts, 7 est la valeur maximale pour . Vous pouvez voir la valeur maximale de n pour n’importe quel élément en voyant quelle ligne l’atome se trouve dans le tableau périodique. Par exemple, le fer est dans la rangée 4, donc peut être 1, 2, 3 ou 4.

Le nombre quantique angulaire (ou azimutal), , décrit l’orbitale électronique. peut être compris entre 0 et . est une orbitale s, est une orbitale p, est une orbitale d, est une orbitale f, est une orbitale g, etc. Par exemple, un électron dans la 4ème coquille pourrait avoir 3 orbitales : et .

Le nombre quantique magnétique, , varie de à . Par exemple, un électron dans l’orbitale d pourrait avoir cinq valeurs de et .

Le nombre quantique de spin, , ne peut avoir que deux valeurs : haut ou bas.

Peut-être de manière trompeuse, le nombre quantique de spin est ce qui donne naissance au magnétisme. Selon la règle de Hund, les électrons remplissent toute l’orbitale avec le même spin, puis remplissent l’orbitale avec le spin opposé. Par exemple, le fer a 6 électrons (sur 10) dans son sous-orbital externe d. Les 5 premiers électrons tourneront vers le haut et le 6ème sera vers le bas.

Vous pouvez utiliser la configuration des électrons pour indiquer quels électrons se trouvent dans l’enveloppe extérieure.

Vous pouvez rechercher des configurations d’électrons si vous les avez oubliées, mais comme un rappel rapide, les configurations d’électrons sont écrites en étiquetant les nombres quantiques, en suivant le tableau périodique.

La configuration électronique pour le fer est 1s22s22p63s23p64s23d6. Vous pouvez donc voir que le fer a 6 électrons dans l’orbitale d non remplie. En raccourci, vous pouvez sauvegarder le gaz noble le plus proche et l’écrire comme 4s23d6. Co serait s23d7 et Ga serait 4s23d104p1.

Ces électrons non appariés dans chaque atome de fer ont un spin net. C’est ce qu’on appelle le magnéton de Bohr. Comme vous pouvez le voir sur ce calcul pour le fer, le fer a un magnéton de bohr théorique de 4. Les éléments avec des orbitales pleines ou vides n’ont pas de spin net car chaque électron de “spin haut” est couplé à un électron de “spin bas”, et donc l’atome a un magnéton de Bohr de zéro.

C’était un argument très ondulé; si vous souhaitez une approche mathématique plus rigoureuse, vous pouvez consulter cet excellent chapitre sur l’origine des dipôles magnétiques.

Comme vous le verrez dans la section suivante, il existe un concept appelé “interaction d’échange” qui relie le magnéton de Bohr aux propriétés magnétiques du matériau. (Spoiler: la liaison et le partage d’électrons changent beaucoup les choses).

Quelle Propriété Mesure le magnétisme ?

Lorsque vous parlez des propriétés magnétiques d’un matériau, vous parlez de la façon dont le matériau réagit à un champ magnétique externe. Nous appelons ce champ magnétique externe H.

L’addition de tous les moments magnétiques dans un matériau s’appelle M. On peut aussi utiliser B, qui est similaire et plus courant, mais moins intuitif (j’ai expliqué la différence entre B et M dans cet article).

Donc, fondamentalement, ce qui rend quelque chose de magnétique, c’est le fait que B change lorsque H change.

Puisque B est une fonction de H, il y a une pente entre les deux. Cette pente est appelée perméabilité magnétique, est la perméabilité de l’espace libre. Cela signifie que si vous avez créé un champ magnétique dans le vide, du vide serait .

Une mesure très similaire à la perméabilité est la susceptibilité, représentée par . est la pente sur la courbe M-H, de la même manière que μ est la pente sur la courbe B-H. (Encore une fois, vous pouvez en savoir plus sur ces différences dans cet article). La susceptibilité d’un vide est de 0.

On peut également définir la perméabilité relative, qui est juste le rapport de la perméabilité du matériau à la perméabilité de l’espace libre.

Types de Matériaux magnétiques

Les matériaux magnétiques sont définis par leur réponse à un champ externe (en d’autres termes, leur perméabilité).

Il existe 3 principaux types de matériaux magnétiques: ferromagnétiques, paramagnétiques et diamagnétiques. Je couvrirai également les deux autres types: ferrimagnétique et antiferromagnétique.

Les diamantés ont une perméabilité relative légèrement inférieure à un. Les paramagnétiques ont une perméabilité relative légèrement supérieure à 1. Les antiferromagnétiques ont une perméabilité relative presque exactement égale à 1. Les ferromagnétiques et les ferrimagnétiques ont une très grande perméabilité relative non linéaire.

Diamagnétisme

Tous les matériaux ont du diamagnétisme. Le diamagnétisme est une propriété répulsive qui découle de la loi de Lenz.

La loi de Lenz dit que la création d’un champ magnétique déplacera les électrons. Les électrons en mouvement créent également un champ magnétique, et le champ magnétique nouvellement créé s’opposera à celui d’origine.

Cela est vrai même pour les électrons sur un atome. Pour tout matériau, l’exposition du matériau à un champ magnétique fera bouger les électrons de l’atome d’une manière qui crée un minuscule champ magnétique dans la direction opposée.

Par cette logique, tous les matériaux doivent être repoussés par un champ magnétique, quelle que soit la direction du champ magnétique. Cependant, cette répulsion est si minuscule qu’elle nécessite un équipement très spécialisé pour la mesurer.

Les matériaux diamagnétiques ont un magnéton de Bohr de zéro, le diamagnétisme est donc le seul effet magnétique qu’ils éprouvent. Tous les matériaux ont un diamagnétisme, mais d’autres formes de magnétisme sont plus fortes, de sorte que les matériaux qui ont également un autre type de magnétisme sont classés par leur type le plus fort.

Exemples de Métaux Diamagnétiques avec des Valeurs de Perméabilité Magnétique (Relative):

• Cuivre (Cu): µr = 0,99999
• Mercure (Hg): µr = 0,99997
• Bismuth (Bi): µr = 0,99984 – propriétés diamagnétiques les plus fortes

Autres métaux diamagnétiques:

• Zinc (Zn)
• Magnésium (Mg)
• Or (Au)

Exemples de Matériaux Diamagnétiques Qui Ne Sont Pas Des Métaux:

• Silicium (Si)
• Phosphore (P)
• Eau
• Graphite
• ADN et autres protéines

Relation entre B (flux de densité magnétique) et H (intensité du champ magnétique):

Paramagnétisme

Le diamagnétisme est un alignement faible contre un champ magnétique appliqué, donc le paramagnétisme est un alignement faible avec un champ magnétique appliqué. Il existe quelques types de paramagnétisme (voir cet article pour plus d’informations), mais l’effet net est le même: les électrons créent un champ magnétique qui s’aligne sur le champ externe.

Dans certains métaux, en fonction des effets de la mécanique quantique, ces électrons peuvent en fait ressentir un effet diamagnétique plus fort en plus de l’effet paramagnétique. Des atomes comme Cu ou Ag éprouvent essentiellement 2 types de diamagnétisme et 1 type de paramagnétisme, de sorte que les éléments sont globalement diamagnétiques.

Au lycée, on vous a peut-être appris à simplement calculer le magnéton de Bohr et à déclarer que les éléments avec étaient diamagnétiques et tous les autres étaient paramagnétiques; malheureusement, la mécanique quantique réelle n’est pas si simple et vous feriez mieux de rechercher quel type de magnétisme possède un matériau (ne vous inquiétez pas, j’ai un tableau plus loin dans l’article).

Exemples de Paramagnétiques avec des Valeurs de Perméabilité Magnétique (Relative):

• Platinium (Pt) : µr = 1,00027
• Aluminium (Al): µr = 1,0000196
• Air µr = 1.00000037

Autres Exemples de Matériaux Paramagnétiques:

• Sodium (Na)
• Étain (Sn)
• Oxygène (O2)
• Hydrogène (H2)

Relation entre B (flux de densité magnétique) et H (intensité du champ magnétique):

Ferromagnétisme

Les matériaux ferromagnétiques subiront également des effets paramagnétiques et diamagnétiques, mais l’effet ferromagnétique est beaucoup plus important que ces effets.

Le ferromagnétisme résulte d’un couplage d’échange qui provoque la formation de domaines magnétiques.

Les domaines sont des régions où tous les atomes apportent leur moment magnétique dans la même direction.

Comme pour plusieurs de mes explications, je ne peux malheureusement pas fournir une réponse plus intuitive que

Il y a quelque chose appelé le modèle de Beth-Slater qui prédit le ferromagnétisme basé sur l’espacement atomique et les électrons dans l’orbitale d.

Selon ce modèle, le cobalt est en fait le métal le plus ferromagnétique.

La mécanique quantique mise à part, l’idée de domaines n’est en fait pas trop difficile à comprendre, si vous êtes prêt à accepter leur existence sur la foi. Les domaines sont des régions du matériau où tous les moments des atomes s’alignent dans la même direction.

Différents domaines, cependant, sont orientés aléatoirement au début. Mais lorsque vous introduisez un champ magnétique externe, chaque domaine s’aligne sur ce champ et produit son propre champ magnétique. Même après avoir supprimé le champ externe, tous les domaines se renforcent mutuellement et le matériau maintient son champ magnétique.

Cela crée une propriété appelée hystérésis magnétique, dont vous pouvez tout lire ici.

Il est possible d’éliminer le champ magnétique créé intérieurement en augmentant la température du ferromagnétique. À mesure que la température augmente, les atomes (et les domaines) vibrent davantage jusqu’à ce que le couplage d’échange cesse et que les domaines ne puissent plus maintenir leur alignement non aléatoire.

Cette température est appelée température de durcissement. Au-dessus de la température de Curie, les matériaux ferromagnétiques deviennent paramagnétiques.

Matériaux antiferromagnétiques

Les matériaux antiferromagnétiques ont un alignement de spin comme les matériaux ferromagnétiques; cependant, alors que les ferromagnétiques alignent les moments magnétiques atomiques dans la même direction, les antiferromagnétiques alignent les moments magnétiques dans des directions opposées.

En d’autres termes, les moments antiferromagnétiques s’apparient parfaitement les uns contre les autres, conduisant à un magnétisme total de 0 (en théorie, mais en pratique, il existe des défauts cristallins, de sorte que les moments ne s’opposent pas parfaitement, de sorte que le moment magnétique total est supérieur à 0).

Ce phénomène est appelé “superéchange d’énergie de spin.”(Le superéchange est également utilisé pour décrire l’alignement des domaines ferromagnétiques). C’est un peu compliqué et repose sur la connaissance de quelques bases de la chimie quantique, alors laissez-moi vous expliquer dans un texte pliable.

Cliquez ici pour en savoir plus sur le superéchange dans les antiferromagnétiques.

MnO est l’exemple classique d’un antiferromagnétique. La céramique ionique a des ions Mn2+ qui voudraient voler 2 électrons, et O2- voudrait donner 2 électrons. En raison du principe d’exclusion de Pauli, O2- doit avoir 1 électron avec spin up et un électron avec spin down.

La règle de Hund stipule que les électrons rempliront d’abord l’orbitale d de spins dans la même direction. Puisque Mn2+ a 5 électrons non appariés dans l’orbitale d, les 5 électrons doivent être les mêmes – imaginons qu’ils tournent. Cela signifie que les 6ème et 7ème électrons doivent être spin down.

Ainsi, l’O2- doit donner son électron de spin down au Mn2+ à gauche. O2 – a un électron spin up restant, qui est donné au Mn2 + à droite. Mais le même raisonnement que je viens d’utiliser, si le spin up va vers la droite, les 5 autres électrons doivent être spin down.

MnO a une structure cristalline de sel gemme. Si vous regardez le réseau cubique simple, chaque atome Mn a un moment magnétique de 3, mais pointant dans la direction opposée comme le moment magnétique de l’atome Mn le plus proche. Ainsi, tous les moments s’annulent.

Tout comme les ferromagnétiques deviennent des paramagnétiques au-dessus de la température de Curie, les antiferromagnétiques deviennent des paramagnétiques au-dessus de la température de Néel. Dans les deux cas, l’énergie thermique provoque des fluctuations et un caractère aléatoire qui peuvent surmonter le superéchange.

Si vous voulez lire une description plus précise mais très mathématique de superexchange, vous pouvez consulter cet article d’Anderson.

Il n’y a pas beaucoup d’applications magnétiques pratiques pour les antiferromagnétiques (car ils sont essentiellement non magnétiques), mais ils peuvent être utilisés comme point de référence dans des expériences magnétiques. Ils ont également une grande valeur théorique et peuvent aider les scientifiques à mieux comprendre les supraconducteurs.

Matériaux ferrimagnétiques

Si vous avez déjà vu un aimant de réfrigérateur en céramique, c’était probablement un ferrimagnet. Les matériaux ferrimagnétiques se comportent de manière très similaire aux matériaux ferromagnétiques. Cependant, les ferrimagnétiques fonctionnent par le même superéchange indirect que les antiferromagnétiques.

Alors que les antferromagnétiques s’annulent complètement parce que chaque paire de moments magnétiques est égale, les ferrimagnétiques n’ont qu’une annulation partielle. Ce qui signifie qu’ils ont vraiment une aimantation partielle.

Chaque moment magnétique est associé à un moment magnétique plus faible dans la direction opposée. Puisque tous les moments forts s’alignent dans la même direction et que les moments faibles s’alignent dans la direction opposée, les moments forts gagnent et le matériau a un moment magnétique global.

Le Fe3O4, le plus ancien matériau magnétique connu, est un ferrimagnet. Ce matériau a une structure spinelle inverse avec Fe3+ sur les sites tétraédriques, et Fe2+ et Fe3+ occupent tous deux des sites interstitiels octaédriques. Les Fe3+ dans les sites octraédriques et tétraédriques s’annulent, mais les Fe2+ restants ne s’annulent pas, conduisant à un moment magnétique net.

Les ferrimagnétiques se comportent à peu près de manière identique aux ferromagnétiques, y compris en ayant une température de Curie.

Si vous voulez lire un article de Néel lui-même, vous pouvez consulter celui-ci.

Pensées finales

Maintenant, vous connaissez les 5 types de magnétisme, pourquoi le magnétisme existe et des exemples de chaque type de matériau magnétique.

Avant de partir, jetez un coup d’œil à ce tableau pratique qui vous aidera à vous rappeler comment les moments magnétiques se comportent dans chaque type de matériau.

Références et lectures complémentaires

Cliquez ici pour en savoir plus sur l’hystérésis magnétique. Si vous voulez connaître la différence entre l’induction magnétique B et l’aimantation M, lisez cet article.

Pour plus de mathématiques derrière l’origine des dipôles magnétiques, je recommande cet article du professeur Föll.

Pour en savoir plus sur la susceptibilité magnétique, vous pouvez lire cet article d’Alan Elster ou cet article de Richard Fitzpatrick.

Pour en savoir plus sur la structure des spinelles, je recommande cet article d’Aditya vardhan.

Si vous voulez lire une description plus précise mais très mathématique de superexchange, vous pouvez consulter cet article d’Anderson.

Yang et al.le papier, qui dessine la structure de Fe3O4, peut être trouvé ici.

Voici un des articles de Néel sur le ferromagnétisme et l’antiferromagnétisme.

Si vous souhaitez en savoir plus sur l’antiferromagnétisme, Katherine Wellmon a écrit cet article utile.

Cette page de Bruce Moscowitz présente une excellente répartition des types d’aimants. Il a mis un accent particulier sur la dépendance à la température, ce que je n’ai pas vraiment couvert dans cet article.

Si vous souhaitez en savoir plus sur les matériaux spécifiques utilisés pour les aimants, l’Université de Birmingham propose deux excellents articles sur les aimants durs et les aimants mous.