Le ferromagnétisme est le mécanisme fondamental par lequel certains matériaux (fer, cobalt, nickel…) sont attirés par des aimants ou forment des aimants permanents. On distingue en physique différents types de magnétismes. Le ferromagnétisme (qui inclut le ferrimagnétisme) se trouve être celui à l’origine des champs magnétiques les plus importants : c’est celui qui crée des forces suffisamment importantes pour être senties et qui est responsable du magnétisme dans les aimants de la vie quotidienne. La matière répond faiblement aux champs magnétiques selon trois autres types de magnétismes : le paramagnétisme, le diamagnétisme et l’antiferromagnétisme, mais les forces mises en jeu sont le plus souvent très faibles au point qu’elles ne peuvent être détectées que par des instruments de laboratoire particulièrement sensibles.
Le ferromagnétisme désigne la capacité de certains corps à s'aimanter sous l'effet d'un champ magnétique extérieur et à garder une partie de cette aimantation.. Ces corps sont soit de type ferromagnétique soit de type ferrimagnétique, de même que les matériaux qui se trouvent attirés par eux de façon significative. Ils se distinguent des paramagnétiques qui ne conservent pas leur aimantation à champ nul. Seules quelques substances se trouvent être ferromagnétiques. Les plus communes sont le fer, le nickel, le cobalt et la plupart de leurs alliages, certaines terres rares, et quelques minéraux naturels.
Il existe deux sous-catégories, à savoir les ferromagnétiques durs (que l'on appelle aimants permanents) et les ferromagnétiques doux. Ces matériaux se rencontrent dans l'industrie comme dans la vie quotidienne.
Le ferromagnétisme se trouve être très important pour l’industrie et les nouvelles technologies car il est à la base de nombreux appareils électriques et électrochimiques comme les électroaimants, les générateurs électriques, les transformateurs et les mémoires magnétiques (cassettes, disques durs).
Définitions Aimantation
Un matériau magnétique est caractérisé par la présence de moments magnétiques. L'existence de ces moments est due au mouvement des électrons, dits de valence, dans les atomes. Ce sont des grandeurs vectorielles, qui ont donc une direction et qui ont pour unité des ampères mètres carrés ().
Lorsqu'on considère la globalité du matériau, on peut définir une nouvelle grandeur : l'aimantation. Il s'agit de la somme de tous les vecteurs moment magnétiques, divisée par le volume de l'échantillon :L'aimantation se mesure en ampères par mètre ().
Si le matériau est soumis à un champ magnétique externe, les moments magnétiques vont interagir avec celui-ci. Ils peuvent, par exemple, s'aligner suivant le champ induit.
Aimantation spontanée Dans le cas des matériaux ferromagnétiques, il existe une aimantation naturelle, sans besoin d'appliquer un champ magnétique extérieur sur le matériau: c'est l'aimantation spontanée. Cette aimantation existe grâce à l'alignement des moments magnétiques dans le matériau : un ordre magnétique apparaît.
Cette propriété permet l'existence d'aimants permanents.
Ferromagnétisme et autres ordres magnétiques
Il existe différents types d'ordres magnétiques sous champ magnétique extérieur nul. Outre le ferromagnétisme, il en existe d'autres types, qu'il faut bien distinguer :
Un matériau est ferromagnétique si tous ses moments magnétiques contribuent positivement à son aimantation. Ces moments sont alignés et ont une même direction.alt=|centré|vignette|Ordre ferromagnétique: les moments magnétiques forment une aimantation spontanée. Si une partie des moments magnétiques est alignée dans le sens opposé (ou anti-alignés), il se forme une aimantation résultante nette. Ce matériau est dit ferrimagnétique.alt=|centré|vignette|Ordre ferrimagnétique. Les moments de sens opposés ne se compensent pas, donnant naissance à une aimantation.Si les moments alignés et anti-alignés se compensent complètement, ce qui produit une aimantation nette nulle, alors on dit que le matériau est antiferromagnétique.
Températures de Curie et de Néel
Ces phénomènes d’alignement sont sensibles à la température, car l'agitation thermique peut altérer l'état des moments magnétiques. On parle particulièrement de températures seuils, au-dessus desquelles l'ordre magnétique disparaît : dans le cas des ferromagnétiques et ferrimagnétiques, on parle de température de Curie ; en ce qui concerne les antiferromagnétismes, on parle de température de Néel.
centré|vignette|551x551px|Aimantation en fonction de la température.
Au-delà de ces températures, l'ordre magnétique ne peut apparaître que sous champ magnétique externe : le matériau devient paramagnétique.
Histoire : distinction du ferri- et du ferromagnétisme Historiquement le terme ferromagnétisme était utilisé pour tous matériaux exhibant des propriétés d’aimantation, c’est-à-dire un moment magnétique net en l’absence de champ magnétique externe. Cette définition reste vulgairement utilisée. Cependant, plus récemment, différentes catégories d’aimantations spontanées ont été identifiées quand il y a plus d’un spin magnétique par maille du matériau, ce qui conduit à une définition plus stricte du « ferromagnétisme » qui la distingue du ferrimagnétisme. En particulier : un matériau est « ferromagnétique » au sens le plus strict si tous ses spins magnétiques contribuent positivement à une aimantation nette ; si une partie des spins se soustraient à l’aimantation nette (s'ils sont partiellement anti-alignés), alors le matériau est dit « ferrimagnétique » ; si les moments des spins alignés et anti-alignés se compensent complètement, ce qui résulte en une aimantation nette de zéro malgré l’influence du champ magnétique, alors on dit que le matériau est antiferromagnétique.
Ces phénomènes d’alignement n’apparaissent qu’à des températures inférieures à une température seuil, dite température de Curie (pour les matériaux ferromagnétiques et ferrimagnétiques) ou température de Néel (pour les antiferromagnétiques).
Parmi les premières recherches sur le ferromagnétisme se trouvent les travaux pionniers d’Aleksandr Stoletov sur la détermination de la perméabilité magnétique des matériaux ferromagnétiques, connue sous le nom de .
Matériaux ferromagnétiques Voir aussi la catégorie : materiaux ferromagnétiques.
Le tableau ci-dessous rassemble une sélection de matériaux ferromagnétiques et ferrimagnétiques associés à la température au-delà de laquelle ils cessent d’exhiber des propriétés d’aimantation spontanée (voir température de Curie). MatériauxT° de CurieSusceptibilité magnétique K°CCo70Fe α, aciers ferritiques et martensitiques770200MnBi630357Ni627354110MnSb587314CrO386113MnAs31845Gd29219Tb219 -54Dy88 -185EuO69 -204
Le ferromagnétisme n’est pas seulement une propriété de l’arrangement chimique du matériau, mais aussi de sa structure cristalline et de sa micro-structuration. Il existe des alliages ferromagnétiques (dits alliages de Heusler) dont les composants ne sont pas eux-mêmes ferromagnétiques. A contrario, il existe des alliages non ferromagnétiques, tels que l’acier inoxydable austénitique, qui sont composés presque entièrement de métaux ferromagnétiques.
Des matériaux ferromagnétiques amorphes (non cristallins) peuvent être réalisés par une trempe (refroidissement) rapide d’un alliage sous forme liquide. Ceux-ci présentent l’avantage que leurs propriétés sont presque isotropes (non alignées selon les axes du cristal) ; cela résulte en une coercivité faible, des pertes d’hystérésis faibles, une haute permittivité et une haute résistivité électrique. Un matériau de ce type est un alliage métal de transition (80 % – souvent Fe, Co ou Ni) – métalloïde (20 % – B, C, Si, P ou Al) qui diminue le point de fusion.
Une catégorie relativement nouvelle de matériaux ferromagnétiques exceptionnellement forts sont les aimants terres-rares. Ils contiennent des éléments de la famille des lanthanides qui sont connus pour leur capacité à porter un grand moment magnétique sur leur orbitale f très localisée.
Ferro aimants à base d'actinides Un certain nombre d’actinides sont des ferro aimants à température ambiante ou présentent du ferromagnétisme si refroidis. PuP est un matériau paramagnétique à symétrie cubique à température ambiante, mais il subit une modification structurelle en symétrie tétragonale et devient ferromagnétique une fois refroidi sous Tc = 125 K.
Lithium (gaz) En 2009 une équipe de physiciens du MIT a démontré que le lithium (gaz) refroidi à une température inférieure à peut présenter du ferromagnétisme. L’équipe a refroidi le lithium-6 fermionique à moins de 150 milliardièmes de kelvin au-dessus du zéro absolu en utilisant un procédé de refroidissement laser infrarouge.
Le ferromagnétisme à l'échelle macroscopique Un matériau ferromagnétique s’aimante sous l’effet d’un champ extérieur. Il convient donc d’étudier la susceptibilité d’un tel matériau.
Rappel de la définition de la susceptibilité
Cette grandeur traduit la capacité d’un matériau à s’aimanter sous l’effet d’une excitation magnétique extérieure.
Dans le cas général, la susceptibilité vaut :
La susceptibilité des ferromagnétiques La susceptibilité des ferromagnétiques est positive et très grande. Sa valeur se situe entre 50 et . Dans le cas des ferromagnétiques doux, cette propriété est très utilisée car elle va permettre d'obtenir une forte induction à partir d'une faible excitation extérieure. C’est pour cela qu’on utilise ces derniers pour canaliser les lignes de champ. Les ferromagnétiques en général possèdent une aimantation spontanée et leurs propriétés dépendent de l’histoire magnétique du matériau, ce qui mène à l’étude des cycles d’hystérésis.
Le ferromagnétisme à l'échelle microscopique Le théorème de Bohr-van Leeuwen, découvert dans les années 1910, démontrait que les théories de physique classique sont incapables d’intégrer et d’expliquer le magnétisme, y compris le ferromagnétisme. Le magnétisme est à présent compris comme un phénomène purement quantique. Le ferromagnétisme est dû à deux effets de mécanique quantique : la théorie de spin et le principe d’exclusion de Pauli.
Origine du magnétisme L’une des propriétés fondamentales d’un électron (à part le fait qu’il porte une charge) est qu’il possède un moment dipolaire magnétique (i.e. il se comporte comme un petit aimant). Ce moment dipolaire vient d’une propriété plus fondamentale de l’électron et qui dit qu’il possède un spin quantique. Par sa nature quantique, le spin ne peut se trouver que dans deux états « up » ou « down » selon l’orientation du champ magnétique. Le spin des électrons dans les atomes est la source principale de ferromagnétisme, bien qu’il y ait aussi une contribution du moment angulaire orbital de l’électron par rapport au noyau. Quand les dipôles magnétiques s’alignent dans un morceau de matière, leurs champs magnétiques individuels s’ajoutent pour créer un champ bien plus grand et perceptible à l’échelle macroscopique.
Cependant il est nécessaire que les atomes mis en jeu aient leur couche électronique partiellement remplie. En effet les atomes ayant leurs couches électroniques entièrement remplies ont un moment dipolaire total de zéro car tous les électrons existent en paires de spins opposés et le moment magnétique de chaque électron se retrouve compensé par le moment du second électron de la paire. A contrario un moment magnétique net (et donc du ferromagnétisme) peut apparaitre dans les matériaux dont les atomes possèdent des couches électroniques partiellement remplies (i.e. dont les électrons ont des spins non appariés). De plus à cause de la règle de Hund les premiers électrons d’une couche ont tendance à avoir le même spin, ce qui tend à augmenter le moment dipolaire total.