Paramagnétisme: causes, matériaux paramagnétiques, exemples et différences avec le diamagnétisme
Le paramagnétisme est une forme de magnétisme dans laquelle certains matériaux sont faiblement attirés par un champ magnétique externe et forment des champs magnétiques internes induits dans la direction du champ magnétique appliqué.
Contrairement à ce que beaucoup de gens pensent souvent, les propriétés magnétiques ne sont pas réduites aux seules substances ferromagnétiques. Toutes les substances ont des propriétés magnétiques, bien que sous une forme plus faible. Ces substances sont appelées paramagnétiques et diamagnétiques.
De cette façon, on peut distinguer deux types de substances: paramagnétiques et diamagnétiques. En présence d'un champ magnétique, les paramagnétiques sont attirés vers la zone où l'intensité du champ est la plus grande. Par contre, les diamagnétiques sont attirés vers la région du champ dans laquelle l'intensité est plus basse.
En présence de champs magnétiques, les matériaux paramagnétiques subissent le même type d'attraction et de répulsion que les aimants. Cependant, lorsque le champ magnétique disparaît, l'entropie met fin à l'alignement magnétique qui a été induit.
En d'autres termes, les matériaux paramagnétiques sont attirés par les champs magnétiques, bien qu'ils ne soient pas transformés en matériaux magnétisés en permanence. Quelques exemples de substances paramagnétiques sont: l'air, le magnésium, le platine, l'aluminium, le titane, le tungstène et le lithium, entre autres.
Les causes
Le paramagnétisme est dû au fait que certains matériaux sont constitués d'atomes et de molécules dotés de moments magnétiques permanents (ou dipôles), même lorsqu'ils ne sont pas en présence d'un champ magnétique.
Les moments magnétiques proviennent des spins des électrons non appariés de métaux et d'autres matériaux possédant des propriétés paramagnétiques.
En paramagnétisme pur, les dipôles n'interagissent pas les uns avec les autres, mais sont orientés de manière aléatoire en l'absence de champ magnétique externe par suite d'une agitation thermique. Cela génère un moment magnétique nul.
Cependant, lorsqu'un champ magnétique est appliqué, les dipôles tendent à s'aligner sur le champ appliqué, ce qui entraîne un moment magnétique net dans la direction dudit champ et s'ajoute au champ externe.
Dans tous les cas, l’alignement des dipôles peut être contrecarré par l’effet de la température.
De cette manière, lorsque le matériau est chauffé, l'agitation thermique est capable de contrecarrer l'effet du champ magnétique sur les dipôles et les moments magnétiques sont réorientés de manière chaotique, réduisant l'intensité du champ induit.
Loi de Curie
La loi de Curie a été développée expérimentalement par le physicien français Pierre Curie en 1896. Elle ne peut être appliquée que lorsque les températures sont élevées et que la substance paramagnétique est en présence de faibles champs magnétiques.
En effet, il ne décrit pas le paramagnétisme lorsqu'une grande partie des moments magnétiques sont alignés.
La loi stipule que l'aimantation du matériau paramagnétique est directement proportionnelle à l'intensité du champ magnétique appliqué. C'est ce qu'on appelle la loi de Curie:
M = X H = CH / T
Dans la formule précédente, M est l'aimantation, H est la densité de flux magnétique du champ magnétique appliqué, T est la température mesurée en degrés Kelvin et C est une constante propre à chaque matériau et appelée constante de Curie.
Il ressort également de l'observation de la loi de Curie que l'aimantation est inversement proportionnelle à la température. Pour cette raison, lorsque le matériau est chauffé, les dipôles et les moments magnétiques ont tendance à perdre l'orientation acquise par la présence du champ magnétique.
Matériaux paramagnétiques
Les matériaux paramagnétiques sont tous les matériaux à perméabilité magnétique (capacité d'une substance à attirer ou à faire traverser un champ magnétique) similaire à la perméabilité magnétique du vide. Ces matériaux présentent un niveau négligeable de ferromagnétisme.
En termes physiques, il est indiqué que sa perméabilité magnétique relative (quotient entre la perméabilité du matériau ou du milieu et la perméabilité du vide) est approximativement égale à 1, qui est la perméabilité magnétique du vide.
Parmi les matériaux paramagnétiques, il existe un type particulier de matériaux appelé superparamagnétique. Bien qu’ils respectent la loi de Curie, ces matériaux ont une valeur constante de Curie assez élevée.
Différences entre paramagnétisme et diamagnétisme
C'est Michael Faraday qui, en septembre 1845, a compris qu'en réalité, tous les matériaux (pas seulement les aimants ferromagnétiques) réagissaient à la présence de champs magnétiques.
En tout état de cause, la vérité est que la plupart des substances ont un caractère diamagnétique, puisque des paires d'électrons appariés - et, par conséquent, à spin opposé - favorisent faiblement le diamagnétisme. Au contraire, le diamagnétisme ne se produit que lorsqu'il y a des électrons non appariés.
Les matériaux paramagnétiques et diamagnétiques ont tous deux une faible sensibilité aux champs magnétiques, mais dans le premier cas, ils sont positifs dans le second, ils sont négatifs.
Les matériaux diamagnétiques sont légèrement repoussés par un champ magnétique; Par contre, les paramagnétiques sont attirés, bien qu'avec aussi peu de force. Dans les deux cas, lorsque le champ magnétique est supprimé, les effets de la magnétisation disparaissent.
Comme il a déjà été dit, la grande majorité des éléments composant le tableau périodique sont diamagnétiques. Ainsi, des exemples de substances diamagnétiques sont l'eau, l'hydrogène, l'hélium et l'or.
Les applications
Étant donné que les matériaux paramagnétiques ont un comportement semblable au vide en l'absence de champ magnétique, leurs applications dans l'industrie sont quelque peu réduites.
L'une des applications les plus intéressantes du paramagnétisme est la résonance paramagnétique électronique (RPE), largement utilisée en physique, en chimie et en archéologie. C'est une technique spectroscopique avec laquelle il est possible de détecter des espèces avec des électrons non appariés.
Cette technique s’applique entre autres dans les fermentations, la fabrication industrielle de polymères, l’usure des huiles de moteur et la fabrication de bières. De la même manière, cette technique est largement utilisée dans la datation des vestiges archéologiques.
