MAGNÉTISME

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Interactions et structures magnétiques

Énergie d'échange

Dans la plupart des substances magnétiques, il existe des interactions entre porteurs élémentaires. L'interprétation quantique de ces interactions par Werner Heisenberg, en 1928, a montré qu'elles agissaient à courte distance et possédaient un caractère local. En règle générale, ces interactions favorisent soit le parallélisme soit l'antiparallélisme des moments. C'est ce type d'interaction que l'on appelle interaction d'échange et qui est à l'origine du ferromagnétisme (cf. Interprétation phénoménologique du ferromagnétisme). L'énergie de cette interaction, ou énergie d'échange entre les porteurs i et j, s'écrit :

Dans la majorité des cas, on peut considérer que la résultante de ces interactions agissant sur un atome est équivalente à un champ magnétique fictif appelé champ moléculaire. Pour une substance ferromagnétique, c'est-à-dire pour laquelle l'intégrale d'échange Jij est positive, on a vu que ce champ est proportionnel à l'aimantation : Hm = nM, où n est le coefficient de champ moléculaire, indépendant de l'aimantation et de la température.

Énergie magnétocristalline

Les interactions d'échange, dont le caractère est essentiellement isotrope, se bornent à assurer l'orientation mutuelle (parallélisme ou antiparallélisme) des moments élémentaires dans une direction quelconque du matériau. En fait, il est bien connu que les cristaux présentent des propriétés physiques anisotropes, et c'est le cas en magnétisme. Ainsi, il est plus facile d'aimanter un cristal de fer dont la symétrie est cubique selon un axe quaternaire (arête du cube) que suivant un axe ternaire (diagonale du cube). En d'autres termes, l'aimantation spontanée Ms est couplée au réseau cristallin. Il faut donc introduire une énergie magnétocristalline de densité Ec, donnée en première approximation par Ec = Kγ2 dans le cas d'une substance de symétrie hexagonale comme le cobalt, où γ est le cosinus de l'angle de Ms avec l'axe sénaire c (perpendiculaire à la base hexagonale). Dans les substances de symétrie cubique, on trouve :

où α, β et γ désignent les cosinus directeurs de Ms par rapport aux axes quaternaires.

À la température ambiante, pour le cobalt, K est égal à − 5 × 105 joules par mètre cube ; pour le nickel, K est égal à − 4 × 103 joules par mètre cube et, pour le fer, à 4,5 × 104 joules par mètre cube. Dans les composés de terres rares (lanthanides), l'anisotropie est généralement beaucoup plus élevée : par exemple, dans SmCo5, K = − 2 × 107 joules par mètre cube.

L'origine de cette énergie est complexe. Approximativement, si d'un côté le moment de spin de l'électron peut tourner librement, en revanche son moment orbital, qui est associé à des nuages électroniques de forme plus ou moins dissymétrique, ne peut pas s'orienter librement dans les champs électriques locaux créés par la matière.

Les moments individuels tendent à s'orienter suivant les directions correspondant à un minimum de Ec : ce sont les directions de facile aimantation. Pour le cobalt à température ambiante, elles correspondent à γ = 1, soit aux deux sens de l'axe sénaire ; elles correspondent, pour le fer, aux deux sens de chacun des trois axes quaternaires (K est positif) et, pour le nickel, aux deux sens de chacun des quatre axes ternaires (K est négatif). Dans les substances amorphes telles que les verres métalliques, bien qu'il existe une anisotropie locale, on n'observe aucune anisotropie macroscopique.

Énergie dipolaire. Champ démagnétisant

Il existe également une interaction magnétique directe entre porteurs individuels, appelée interaction dipolaire, qui correspond à l'interaction existant entre deux aiguilles de boussole : il s'agit de l'effet produit sur chaque aiguille par le champ magnétique créé par l'autre. Cette interaction est anisotrope et beaucoup plus faible que les interactions d'échange ; en revanche, elle peut agir à longue distance (elle varie en 1/d3) ; en l'absence de ces dernières, elle conduirait à des températures d'ordre magnétique inférieures à 1 K. En raison de cette interaction, un corps aimanté crée, autour de lui et à l'intérieur de la matière, un champ Hd, auquel correspond une densité d'énergie dipolaire, ou magnétostatique, égale à (1/2)μ0Hd2, qui peut atteindre des valeurs considérables, de l'ordre de 106 joules par mètre cube. On peut décrire ce champ magnétique à l'aide de charges magnétiques fictives convenabl [...]

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Écrit par :

  • : docteur ès-sciences physiques, directeur de recherche au C.N.R.S.
  • : ingénieur I.S.E.P., docteur ès sciences, directeur de recherche au C.N.R.S.
  • : Prix Nobel de physique, professeur à l'Institut national polytechnique de Nancy et à l'université de Nancy

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Pour citer l’article

Damien GIGNOUX, Étienne de LACHEISSERIE, Louis NÉEL, « MAGNÉTISME », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 16 août 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/magnetisme/