Par Chris Deziel, mis à jour le 24 mars 2022
Le magnétisme et l’électricité sont des phénomènes profondément liés qui peuvent souvent être considérés comme les deux faces d’une même médaille. Le comportement magnétique des métaux provient de la disposition des électrons dans leurs coquilles atomiques.
Chaque élément possède des caractéristiques magnétiques, même si la plupart sont subtiles et difficilement apparentes. Les métaux qui attirent les aimants partagent un trait commun :des électrons non appariés dans leur couche la plus externe. Cette configuration électronique est le moteur clé du magnétisme.
Les métaux qui peuvent être magnétisés en permanence sont appelés ferromagnétiques. . La liste est courte et le terme dérive du mot latin désignant le fer, ferrum. .
En revanche, les paramagnétiques les matériaux deviennent temporairement magnétisés lorsqu’ils sont exposés à un champ magnétique. La classe comprend non seulement les métaux mais également des molécules covalentes telles que l'oxygène (O₂) et divers solides ioniques.
Tout ce qui n'est ni ferromagnétique ni paramagnétique est diamagnétique . Les substances diamagnétiques présentent une légère répulsion aux champs magnétiques, de sorte qu'un aimant conventionnel ne les attire pas. En réalité, tous les matériaux présentent un diamagnétisme dans une certaine mesure.
Selon le modèle atomique accepté, le noyau contient des protons chargés positivement et des neutrons électriquement neutres, maintenus ensemble par la forte force nucléaire. Autour du noyau se trouve un nuage d’électrons occupant des niveaux d’énergie discrets ou des couches. Ces électrons sont responsables des propriétés magnétiques d'un atome.
Lorsqu’un électron tourne autour du noyau, il produit un champ électrique changeant qui, d’après les équations de Maxwell, génère un champ magnétique. L’ampleur du champ est égale à la zone à l’intérieur de l’orbite multipliée par le courant. Chaque électron fournit un minuscule courant et le moment magnétique résultant est mesuré en magnétons de Bohr. Dans un atome typique, les champs magnétiques de tous les électrons en orbite s'annulent, laissant un moment net nul.
Au-delà du mouvement orbital, les électrons possèdent une propriété intrinsèque appelée spin. , ce qui est crucial pour déterminer le comportement magnétique. La rotation n'est pas une rotation classique mais un moment cinétique intrinsèque. Les électrons avec un spin « vers le haut » ont un spin positif, tandis que ceux avec un spin « vers le bas » ont un spin négatif.
Le spin ayant tendance à être déséquilibré, il produit souvent un moment magnétique net dans un atome, alors que les contributions orbitales peuvent s'annuler. Ainsi, le spin domine le mouvement orbital dans la formation des propriétés magnétiques.
Les électrons occupent les coquilles par paires de rotation ascendante et descendante, ce qui entraîne généralement un moment magnétique net nul. La plus externe, ou valence , la coque détermine le caractère magnétique d’un élément. Un électron non apparié dans cette coquille crée un moment magnétique net, rendant l'élément magnétique ; les électrons de valence entièrement appariés conduisent au diamagnétisme.
Cette règle s'applique à la plupart des éléments, bien que certains métaux de transition comme le fer (Fe) possèdent des électrons de valence qui peuvent résider dans des couches de plus faible énergie.
Parce que chaque boucle électronique génère un champ magnétique, tous les matériaux présentent un diamagnétisme. Lorsqu’un champ magnétique externe est appliqué, les courants induits s’opposent au champ, conséquence de la loi de Lenz. Cette faible répulsion est présente dans chaque substance, mais est souvent trop légère pour être détectée sans équipement sensible.
Le moment magnétique total, J , est égal à la somme du moment cinétique orbital et de rotation. Quand J =0, l'atome est amagnétique; quand J ≠0, il est magnétique, nécessitant au moins un électron non apparié.
Voici des exemples de métaux diamagnétiques :
Dans un champ magnétique puissant, un objet diamagnétique tel qu'un lingot d'or s'orientera perpendiculairement aux lignes de champ, démontrant sa subtile résistance.
Les métaux possédant au moins un électron de couche externe non apparié sont paramagnétiques. Ils s'alignent avec un champ magnétique externe mais perdent cet alignement une fois le champ supprimé. Les métaux paramagnétiques courants comprennent :
Bien qu'ils ne soient pas attirés par un aimant permanent, leurs moments magnétiques induits peuvent être détectés à l'aide d'instruments sensibles.
Le paramagnétisme n'est pas exclusif aux métaux. Des molécules comme O₂ en présentent, tandis que des non-métaux comme le calcium sont également paramagnétiques. Une démonstration classique consiste à placer de l’oxygène liquide entre les pôles d’un puissant électro-aimant; l'oxygène grimpe aux pôles et se vaporise, formant un nuage de gaz visible. La même expérience avec l'azote liquide, qui est diamagnétique, ne montre aucun mouvement.
Les éléments ferromagnétiques deviennent magnétisés dans un champ externe et conservent ensuite cette magnétisation. La clé est la présence de plusieurs électrons non appariés et la formation de domaines magnétiques. Lorsqu'un champ magnétique est appliqué, les domaines s'alignent et l'alignement persiste même après la suppression du champ :un phénomène connu sous le nom d'hystérésis, qui peut durer des années.
Les éléments ferromagnétiques comprennent :
Les aimants permanents hautes performances sont généralement des aimants aux terres rares. Les aimants en néodyme (NdFeB) et les aimants en samarium-cobalt (SmCo) combinent un noyau ferromagnétique avec un élément de terre rare paramagnétique. Les aimants en ferrite (oxyde de fer) et alnico (AlNiCo) sont également ferromagnétiques mais généralement plus faibles.
Tout matériau magnétique a une température caractéristique, le point de Curie , au-dessus duquel son ordre magnétique s'effondre. Pour le fer, le point Curie est de 1 418 °F (770 °C) ; pour le cobalt, c'est 2 050°F (1 121°C). Au-dessus de ces températures, le matériau devient paramagnétique ou diamagnétique. Le refroidissement en dessous du point de Curie rétablit le ferromagnétisme.
La magnétite (Fe₃O₄) est souvent décrite comme ferromagnétique mais est en fait ferrimagnétique. Sa structure cristalline contient deux réseaux interpénétrés – octaédrique et tétraédrique – avec des moments magnétiques opposés mais inégaux, résultant en un moment magnétique net. D'autres matériaux ferrimagnétiques comprennent le grenat d'yttrium et de fer et la pyrrhotite.
En dessous de la température Néel d'un matériau , certains métaux, alliages et solides ioniques passent du paramagnétique à l'antiferromagnétique, perdant leur réponse aux champs magnétiques externes. Dans l'antiferromagnétisme, les spins voisins s'alignent de manière antiparallèle, s'annulant mutuellement.
Les températures du Néel peuvent être extrêmement basses (≈–150°C) ou proches de la température ambiante, selon le composé. Seuls quelques éléments, comme le chrome et le manganèse, présentent un antiferromagnétisme. Les composés antiferromagnétiques notables comprennent l'oxyde de manganèse (MnO), certaines formes d'oxyde de fer (Fe₂O₃) et la ferrite de bismuth (BiFeO₃).
À mesure que la température augmente, l'ordre antiferromagnétique s'affaiblit, atteignant une réponse paramagnétique maximale à la température de Néel avant que l'agitation thermique ne diminue l'alignement.
Alors que la plupart des métaux courants sont ferromagnétiques ou paramagnétiques, la compréhension de ces classifications magnétiques révèle pourquoi certains métaux ne sont pas affectés par les aimants conventionnels.