MAGNETISME : Les matériaux magnétiques - Etudes à l'échelle macroscopique

1. Rappel historique

Le phénomène du magnétisme est connu depuis l'Antiquité. Les Grecs vivant près de la ville Magnésie et les
premiers chinois avaient remarqué que certaines pierres constituées d'oxyde de fer magnétique (la magnétite)
avaient le pouvoir d'attirer les objets contenant du fer. Ils avaient également constaté qu'un morceau de fer mis en
contact avec la magnétite acquérait la même propriété.

Au 2ème siècle, les chinois se sont aperçus qu’une aiguille d’acier frotté avec un aimant naturelle devenait
«magnétique » et qu’une fois suspendue et libre de ses mouvements indiquait le Nord et le Sud. La boussole est
née.

La boussole se repend vite en Occident, au 11ème siècle les Arabes utilisaient le magnétisme pour la
navigation en mer avec la boussole.

En 1492, Christophe Colomb utilisa cet instrument d’orientation lors de sa traversé de l’Atlantique. Il nota que
non seulement l’aiguille de la boussole déviait légèrement de la direction exacte du Nord (donnée par les étoiles)
mais aussi que la déviation changeait durant le voyage.

Aux environs de l’an 1600, William Gilbert, physicien de la reine Elizabeth I d’Angleterre réalise les premières
études scientifiques sur le magnétisme. Il réalise plusieurs ouvrages à ce sujet et montre que la Terre est un
énorme aimant ce qui explique que la boussole indique le Nord. Jusqu'à lors, on pensait que c’était l’étoile Polaris
ou une grande île magnétique au pôle Nord qui attirait la boussole. Le scientifique montra aussi que le fer perdait
son pouvoir d’aimantation quand on le chauffe.

À la fin du XVIIIème siècle, le français, Charles Augustin de Coulomb effectua les premières études
quantitatives : il mesura les forces qui s'exerçaient entre deux charges magnétiques. Il put établir que ces forces
sont inversement proportionnelles au carré de la distance qui sépare les charges.

En 1820, le danois, Hans Oersted observa qu'une aiguille magnétique est déviée par un courant électrique
traversant un fil conducteur. Cette découverte qui permet dès lors de relier l’électricité et le magnétisme, pose les
bases de la théorie de l’électromagnétique.

En 1925, les physiciens américains Samuel Abraham Goudsmit et George Eugène Uhlenbeck montrèrent que
l'électron lui-même se comporte comme un petit aimant.

           Comme nous avons pu le voir précédemment le magnétisme est connu depuis longtemps par les hommes
cependant les phénomènes magnétiques restent chargés de mystères. L’études des matériaux magnétiques à l’échelle
macroscopique va nous permettent de lever une partie de ces mystères.

2. Aimants et champ magnétique

           Les aimants sont des éléments fabriqués dans un matériau magnétique dur, ils possèdent deux pôles opposés
(le Nord et le Sud) qui sont inséparables. Une simple expérience avec deux aimants montre que les pôles identiques se
repoussent tandis que les pôles opposés s’attirent.

           Ces objets magnétiques produisent un champ magnétique, son intensité se mesure en Tesla (T). Les champs
magnétiques peuvent être modélisés par des lignes de champs qui vont du pôle nord au pôle sud, à l'extérieur du
barreau aimanté, et du pôle sud au pôle Nord à l'intérieur. Elles sont également espacées et symétriquement distribuées
autour du barreau. Il est très facile mettre en évidence avec un aimant et de la limaille de fer.

Comme pour l’aimant, les lignes de champ magnétique terrestre pointent vers les deux pôles magnétiques. Dans le cas
de la Terre elles partent près du pôle sud géographique de la terre, s’incurvent dans l’espace et convergent près du
pôle nord géographique.

           Pour comprendre le fait que le pôle nord de l'aiguille d'une boussole s'oriente vers un point fixe de la Terre, il faut
se rendre compte que notre planète se comporte comme un aimant. Le pôle nord terrestre qui correspond au pôle sud
d'un aimant, va donc constamment attirer le pôle nord de l'aiguille de la boussole. On dit aussi que l’aiguille suit les lignes
de champs terrestres. Par conséquent, la boussole indique le Nord.

3. Les principaux types de matériaux magnétiques

On distingue plusieurs grands types de matériaux magnétiques classés en trois catégories.

Matériaux ferromagnétiques : Ils peuvent être fortement magnétisés. Leur aimantation persiste plus ou
moins lorsque le champ magnétisant est supprimé.

Matériaux paramagnétiques : Ils s'aimantent faiblement dans le sens du champ magnétisant. Leur
aimantation cesse dès que le champ magnétisant est supprimé.

Matériaux diamagnétiques : Ils s'aimantent faiblement dans le sens opposé au champ magnétisant. Leur
aimantation cesse dès que le champ magnétisant est supprimé.

Nous verrons par la suite qu'il existe d'autres types de matériaux magnétiques tels que les antiferromagnétiques et les
ferrofluides.