Ferromagnétisme: matériaux ferromagnétiques, applications et exemples
Le ferromagnétisme est la propriété qui donne à certaines substances une réponse magnétique intense et permanente. Dans la nature, il existe cinq éléments possédant cette propriété: le fer, le cobalt, le nickel, le gadolinium et le dysprosium, ces dernières terres rares.
En présence d'un champ magnétique externe, tel que celui produit par un aimant naturel ou un électro-aimant, une substance répond de manière caractéristique, en fonction de sa configuration interne. La magnitude qui quantifie cette réponse est la perméabilité magnétique.
La perméabilité magnétique est une quantité sans dimension donnée par le quotient entre l'intensité du champ magnétique généré à l'intérieur du matériau et celle du champ magnétique appliqué de manière externe.
Lorsque cette réponse est très supérieure à 1, le matériau est catalogué comme ferromagnétique. Toutefois, si la perméabilité n’est pas très supérieure à 1, la réponse magnétique est considérée comme étant des matériaux paramagnétiques plus faibles.
Dans le fer, la perméabilité magnétique est de l'ordre de 104. Cela signifie que le champ à l'intérieur du fer est environ 10 000 fois plus grand que le champ appliqué de l'extérieur. Ce qui donne une idée de la puissance de la réponse magnétique de ce minéral.
Comment la réponse magnétique provient-elle des substances?
On sait que le magnétisme est un effet associé au mouvement des charges électriques. C'est exactement ce en quoi consiste le courant électrique. D'où viennent alors les propriétés magnétiques de la barre aimantée avec laquelle une note a été collée dans le réfrigérateur?
Le matériau de l'aimant, ainsi que toute autre substance, contient à l'intérieur des protons et des électrons, qui ont leur propre mouvement et génèrent des courants électriques de différentes manières.
Un modèle très simplifié suppose l'électron en orbite circulaire autour du noyau formé de protons et de neutrons, formant ainsi une infime boucle de courant. Chaque spirale est associée à une grandeur vectorielle appelée "moment magnétique orbital", dont l'intensité est donnée par le produit du courant et par la surface déterminée par la boucle: le magnéton de Bohr.
Bien entendu, dans cette petite boucle, le courant dépend de la charge de l'électron. Puisque toutes les substances contiennent des électrons à l'intérieur, elles ont toutes en principe la possibilité d'exprimer des propriétés magnétiques. Cependant, ils ne le font pas tous.
En effet, leurs moments magnétiques ne sont pas alignés, mais disposés à l'intérieur de manière aléatoire, de sorte que leurs effets magnétiques au niveau macroscopique sont annulés.
L'histoire ne se termine pas ici. Le moment magnétique produit par le mouvement de l'électron autour du noyau n'est pas la seule source possible de magnétisme à cette échelle.
L'électron a une sorte de mouvement de rotation autour de son axe. C'est un effet qui se traduit par un moment angulaire intrinsèque. Cette propriété s'appelle le spin de l'électron.
Naturellement, il a aussi un moment magnétique associé et est beaucoup plus intense que le moment orbital. En fait, la plus grande contribution au moment magnétique net de l'atome se fait par le biais du spin, mais les deux moments magnétiques: celui de la translation plus le moment angulaire intrinsèque, contribuent au moment magnétique total de l'atome.
Ces moments magnétiques sont ceux qui ont tendance à s'aligner en présence d'un champ magnétique externe. Et ils les font aussi avec les champs créés par les moments voisins dans la matière.
Maintenant, les électrons forment généralement des paires d'atomes avec de nombreux électrons. Des couples se forment entre des électrons à spin opposé, ce qui annule le moment magnétique du spin.
La seule manière dont le spin contribue au moment magnétique total est que certains restent non appariés, c'est-à-dire que l'atome possède un nombre impair d'électrons.
On se demande ce qu’il ya à propos du moment magnétique des protons dans le noyau. Eh bien, ils ont aussi un moment de rotation, mais cela n'est pas considéré comme contribuant de manière significative au magnétisme d'un atome. C'est parce que le moment de spin dépend inversement de la masse et que la masse du proton est beaucoup plus grande que celle de l'électron.
Les domaines magnétiques
Dans le fer, le cobalt et le nickel, la triade d’éléments à forte réponse magnétique, le moment net de spin produit par les électrons n’est pas nul. Dans ces métaux, les électrons de l’orbite 3d, les plus externes, sont les qui contribuent au moment magnétique net. C'est pourquoi de tels matériaux sont considérés comme ferromagnétiques.
Cependant, ce moment magnétique individuel de chaque atome n'est pas suffisant pour expliquer le comportement des matériaux ferromagnétiques.
À l’intérieur des matériaux fortement magnétiques, il existe des régions appelées domaines magnétiques, dont l’extension peut aller de 10 à 4 cm à 10-1 cm et contenant des milliards d’atomes. Dans ces régions, les moments de spin nets d'atomes voisins réalisent un couplage fort.
Lorsqu'un matériau possédant des domaines magnétiques s'approche d'un aimant, les domaines s'alignent les uns sur les autres, intensifiant ainsi l'effet magnétique.
C'est parce que les domaines, comme les barreaux aimants, ont des pôles magnétiques, également désignés Nord et Sud, tels que les pôles égaux se repoussent et les contraires sont attirés.
Lorsque les domaines s'alignent sur le champ externe, le matériau émet des craquements pouvant être entendus par le biais d'une amplification appropriée.
Cet effet est visible lorsqu'un aimant attire les clous de fer doux, qui se comportent à leur tour comme des aimants attirant d'autres clous.
Les domaines magnétiques ne sont pas des limites statiques établies dans le matériau. Sa taille peut être modifiée en refroidissant ou en chauffant le matériau, mais également en le soumettant à l'action de champs magnétiques externes.
Cependant, la croissance du domaine n'est pas illimitée. Au moment où il n'est plus possible de les aligner davantage, on dit que le point de saturation du matériau a été atteint. Cet effet est reflété dans les courbes d'hystérésis qui apparaissent plus tard.
L'échauffement du matériau provoque la perte de l'alignement des moments magnétiques. La température à laquelle l'aimantation est complètement perdue diffère selon le type de matériau. Pour un barreau aimant, elle est généralement perdue à environ 770 ° C.
Une fois l'aimant retiré, l'aimantation des ongles est perdue en raison de l'agitation thermique présente à tout moment. Mais il existe d'autres composés qui ont une aimantation permanente, car ils ont des domaines alignés spontanément.
Les domaines magnétiques peuvent être observés quand une zone plate de matériau ferromagnétique non magnétisé, telle que le fer doux, est très bien coupée et polie. Une fois que cela est fait, il est saupoudré de fine poussière de fer ou de limailles.
Au microscope, on observe que les puces sont regroupées dans les régions de formation de minéraux avec une orientation très bien définie, suivant les domaines magnétiques du matériau.
La différence de comportement entre différents matériaux magnétiques est due au comportement des domaines dans leur intérieur.
Hystérésis magnétique
L'hystérésis magnétique est une caractéristique que seuls les matériaux à haute perméabilité magnétique possèdent. Il n'est pas présenté par des matériaux paramagnétiques ou diamagnétiques.
Il représente l'effet d'un champ magnétique externe appliqué, noté H, sur l'induction magnétique B d'un métal ferromagnétique au cours d'un cycle de magnétisation et de désanimation. Le graphique présenté a le nom de courbe d'hystérésis.
Initialement au point O, il n'y a pas de champ appliqué H ni de réponse magnétique B, mais à mesure que l'intensité de H augmente, l'induction B augmente progressivement jusqu'à atteindre l'ampleur de la saturation B s au point A, ce qui est attendu.
Maintenant, l'intensité de H est progressivement réduite jusqu'à devenir 0, ce qui nous amène au point C, mais la réponse magnétique du matériau ne disparaît pas, en conservant une aimantation rémanente indiquée par la valeur B r . Cela signifie que le processus n'est pas réversible.
À partir de là, l'intensité de H augmente, mais avec la polarité inversée (signe négatif), de sorte que l'aimantation restante est annulée au point D. La valeur nécessaire de H est notée H c et appelée champ coercitif .
La magnitude de H augmente jusqu'à atteindre à nouveau la valeur de saturation dans E et immédiatement l'intensité de H diminue jusqu'à atteindre 0, mais il reste une magnétisation restante de polarité opposée à celle décrite ci-dessus au point F.
Maintenant, la polarité de H est inversée et sa valeur est augmentée jusqu'à ce que la réponse magnétique du matériau du point G. soit annulée.Après le trajet GA, sa saturation est à nouveau obtenue. Mais ce qui est intéressant, c’est que vous n’êtes pas arrivé par le chemin original indiqué par les flèches rouges.
Matériaux magnétiquement durs et mous: applications
Le fer doux est plus facile à magnétiser que l'acier et en tapotant le matériau, l'alignement des domaines est facilité.
Quand un matériau est facile à magnétiser et à démagnétiser, il est dit magnétiquement doux, et bien sûr, si cela se produit, l’inverse est un matériau magnétiquement dur . Dans le dernier cas, les domaines magnétiques sont petits, tandis que dans le premier, ils sont grands et peuvent donc être vus au microscope, comme indiqué plus haut.
La zone délimitée par la courbe d'hystérésis est une mesure de l'énergie nécessaire pour magnétiser - démagnétiser le matériau. La figure montre deux courbes d'hystérésis pour deux matériaux différents. Celui de gauche est magnétiquement doux, tandis que celui de droite est dur.
Un matériau ferromagnétique doux a un petit champ coercitif H c et une courbe d'hystérésis étroite et élevée. C'est un matériau approprié pour le placer dans le noyau d'un transformateur électrique. Des exemples en sont les alliages de fer doux et de silicium-fer et de nickel-fer, utiles pour les équipements de communication.
D'autre part, les matériaux magnétiquement durs sont difficiles à démagnétiser une fois magnétisés, tels que les alliages d'alliage (aluminium-nickel-cobalt) et les alliages de terres rares avec lesquels des aimants permanents sont fabriqués.
