MAGNETISME : Les matériaux magnétiques - Etude à l'echelle microscopique

1. Moment magnétique atomique et spin

   En étudiant les expériences d’Oersted sur les champs magnétiques créés par les circuits électriques, André Marie
Ampère (1775-1836) introduisit l’hypothèse des « courants ampériens », c'est-à-dire l’existence de microcirculation
d’électrons dans la matière aimantée.

   Plus tard, on représentera l’atome comme ayant des électrons en rotation autour d’un noyau. Ces mouvements
aléatoires induisent donc un courant électrique. Grâce à Œrsted, nous savons donc que ce courant électrique va
produire un champ magnétique et un moment orbital perpendiculaire à l’orbite de l’électron, dépendant du sens de
rotation de ce dernier.

                      Détermination du sens et de la direction d'un champ B grâce à la règle de la main droite.

   Le vecteur moment magnétique a pour sens et direction ceux du champ magnétique créé par I et pour norme : Mo=I*S
avec S surface de l’orbite.

On sait maintenant que cette représentation de la matière est erronée. Cependant l’existence du moment magnétique
dans certains atomes et molécules est avérée : chaque électron d’un atome possède une propriété analogue à celle qui
serai induite par sa rotation autour du noyau (le moment angulaire orbital) ou à sa rotation sur lui-même. A chaque
moment angulaire est associé un moment magnétique. Dans un atome, les interactions entre les électrons conduit à un
moment magnétique global.

Pour mieux comprendre ce phénomène, un voyage au cœur de l’atome s’impose.

Chaque électron d’un atome peut-être caractérisé par 4 nombres quantiques :

n : Le nombre quantique principal. Il désigne la couche dans laquelle se trouve l’électron. (1,2,3,…) Plus le
nombre est grand, plus l’électron est éloigné du noyau et plus l’interaction entre ces 2 corps est faible. Dans
chaque couche on peut mettre au maximum 2n² électrons.

l : nombre quantique secondaire ou azimutal. Il désigne la sous-couche. (Valeurs entières prises de 0 à (n-1)).

       -        Si l=0 : La forme orbitale de la sous-couche est sphérique (s).
       -        Si l=1 : La forme orbitale de la sous-couche est un plan nodal constitué de 2 lobes (p).
       -        Si l=3 : La forme orbitale de la sous-couche est constituée de 2 plans nodaux constitué de 3 ou 4 lobes (d).
Il existe encore des orbites f et g.

ml : nombre quantique magnétique. Il caractérise l’orientation de l’orbite dans l’espace. Nombre quantique
magnétique = des valeurs de - l à + l. Il y a (2l + 1) valeurs de ml possibles.

ms : nombre quantique magnétique de spin. Désigne le sens de rotation du spin de l’électron. Il prend les valeurs
+1/2 ou -1/2.

Chaque électron d’un atome est caractérisé par ces 4 nombres quantiques. La combinaison de ces 4 nombres est
unique pour chaque électron d’un atome. Il ne peut y avoir 2 électrons ayant la même combinaison dans la même
couche. Il s’agit du principe d'exclusion Pauli.

Pour pouvoir déterminer la structure électronique d’un atome, il faut savoir que pour pouvoir entamer le remplissage
d'une nouvelle couche, il faut que toutes celles de niveaux d'énergies inférieurs soient remplies.

La règle de Klechkowsky permet de retenir l'ordre dans lequel se placent les électrons autour d'un noyau :

Les électrons remplissent progressivement les orbitales dans l'ordre indiqué par les flèches (diagonales)

Règle de Hund :

   Dans des orbitales de même énergie (dans une même couche), les électrons se placent de préférence avec leurs
spins parallèles antiparrallèles (même chiffre) dans des orbitales différentes. Ceci s'expliquant par un gain d'énergie.

   Nous avons maintenant réuni toutes les règles pour pouvoir détailler la structure électronique de n'importe quel atome.
Voyons maintenant comment l'écrire.

Exemple : Carbone C - 6 électrons :
Sa structure électronique est : 1s² 2s² 2p² où les chiffres en bleu représentent la couche, la lettre la sous-couche et
l'exposant le nombre d'électrons contenus dans la sous-couche. La somme des exposants donnant donc le nombre total
d'électrons.

On représente également les orbitales et les couches par des "cases atomiques". Chaque case représentant une
orbitale (donc 2e- de spin antiparallèle) et l'ensemble de cases accolées la couche.

Case de la couche 1s avec ces deux électrons représentés chacun par une flèche dont le sens symbolise le spin
de l'électron. Les orbitales s peuvent accueillir au maximum 2 électrons.

Cases de sous couche p. Les orbitales p peuvent accueillir au maximum 6 électrons.

Cases de sous couches d. Les orbitales d peuvent accueillir au maximum 10 électrons.

Voici la configuration électronique de l'atome de Soufre (S) composé de 16e- : 1s² 2s² 2p^6 3s² 3p^4

Et celle du Silicium (Si) 14e- : 1s² 2s² 2p^6 3s² 3p²

En générale lorsque tous les électrons sont appariés le moment magnétique global est nul. Si des électrons ne sont pas
appariés alors le moment magnétique global est non nul.

2. Le magnétisme dans la matière

a- Les matériaux diamagnétiques

   Il s’agit de matériaux dont le moment magnétique résultant est nul.

   C’est le cas en général des édifices ne comportant pas d’électrons non appariés mais il n’y a pas de règle permettant
à cours sûr de prévoir les propriétés magnétiques. Lorsqu’il est soumis à un champ magnétique extérieur, il réagit
faiblement en créant un champ magnétique opposé. Cette aimantation cesse lorsqu’on supprime le champ extérieur.

   Voici quelques exemples de matériaux diamagnétiques : le cuivre, le zinc, le palladium, or, argent et les gaz rares, les
alcalino-terreux, l’eau, les acides, les supraconducteur …

b- Les matériaux paramagnétiques

   Il s’agit de matériaux dont le moment magnétique résultant est nul.

   Lorsqu’il est soumis à un champ magnétique extérieur, ses moments magnétiques s’orientent dans la direction du
champ et augmente le champ appliqué. Cette aimantation faible cesse lorsqu’on supprime le champ extérieur.

   Voici quelques exemples de matériaux paramagnétiques : aluminium, platine, manganèse, gneiss, pegmatite …

c- Les matériaux ferromagnétiques

   Dans une substance dite ferromagnétique, les atomes orientent spontanément leur moment magnétique dans une
direction commune à l’intérieurs de domaines appelés domaines de Weiss. Dans ces domaines, l’aimantation résultante
est très grande. D’un domaine à l’autre, la direction de l’aimantation varie.

   Sous l’action d’un champ magnétique assez fort, ces domaines tendent à s’orienter dans le même sens. Le champ
magnétique résultant est renforcé. Si on augmente le champ, on atteint une limite de l’aimantation (moments
magnétiques sont orienté dans le même sens et la même direction) appelée saturation. Il n’y a plus qu’un seul domaine.

On distingue deux types de ferromagnétiques : les matériaux magnétiques doux et les matériaux magnétiques durs.

Les matériaux magnétiques doux

   L’aimantation jusqu’à saturation du matériau se fait facilement avec un champ magnétique extérieur relativement
faible. Cette aimantation persiste lorsqu’on cesse d’appliquer ce champ. Il s’agit donc d’une aimantation rémanente forte.

   Cependant cette aimantation se dissipera facilement sous l’action d’un champ magnétique inverse ou coercitif (voir
graphique du cycle d’hystérésis), d’un choc ou d’une faible élévation de la température.

   Le fer, des ferrites et des aciers de fer et nickel sont des exemples de matériaux magnétiques doux.

Les matériaux magnétiques forts

Ces matériaux nécessitent un très fort champ extérieur magnétique pour arriver jusqu’à saturation. Son aimantation peut-
être considérée comme rémanente et permanente car les domaines resterons bloqués et auront besoin de beaucoup d’
énergie pour rebasculer (champ coercitif, température…) comme nous le montre ce schéma du cycle d’hystérésis :

   On fait varier le champ H appliqué de O à Hs puis jusqu’à –Hs. L’intensité d’aimantation J croit de O jusqu’à la
saturation puis redescend en Jr où la structure en domaine est préférentiellement orientée dans le sens de la saturation
précédente. Le champ coercitif –Hc ramène le désordre.

   Ces matériaux servent pour les aimants permanents. On y retrouve la magnétite, AlNiCo et des aciers spéciaux.

   Pour les ferromagnétiques, il existe une température au-dessus de laquelle ils perdent leurs propriétés magnétiques à
cause du désordre créé. En refroidissant ces propriétés réapparaissent.

   Par exemple, la température de Curie du Fer est 770°C.

d- Les matériaux antiferromagnétiques

   L'antiferromagnétisme comme le ferromagnétisme est un type de magnétisme de la matière. Tous deux sont des états
ordonnés des moments magnétiques des atomes. Comme le ferromagnétisme, les matériaux antiferromagnétiques
peuvent avoir un état désordonné au dessus d'une certaine température dite point de Néel. La différence se situe dans
le fait que l'antiferromagnétisme implique que les atomes s'organisent en deux sous réseaux ayant chacun des moments
magnétiques opposés. La résultante de ces moments étant nulle, on ne peut pas l'utiliser pour détecter une aimantation.

e- les ferrofluides

   Un ferrofluide est une suspension de toutes petites particules magnétiques qui, lorsqu’un champ magnétique lui est
appliqué, se comporte comme un liquide magnétique.
   Pour que ces particules ne décantent pas il faut qu’elles soient assez petites (de l’ordre du nanomètre) pour que l’
énergie de l’agitation thermique compense la gravité.
   Aussi, pour empêcher l’agglomération des particules magnétiques lors de l’application d’un champ extérieur, il faut qu’
elles se repoussent à courte distance. On obtient ce phénomène en chargeant les particules (on parlera d’un ferrofluide
ionique).