MAGNÉTISME
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 :
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[...]
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Écrit par
- Damien GIGNOUX : docteur ès-sciences physiques, directeur de recherche au C.N.R.S.
- Étienne de LACHEISSERIE : ingénieur I.S.E.P., docteur ès sciences, directeur de recherche au C.N.R.S.
- Louis NÉEL : Prix Nobel de physique, professeur à l'Institut national polytechnique de Nancy et à l'université de Nancy
Classification
Pour citer cet article
Damien GIGNOUX, Étienne de LACHEISSERIE et Louis NÉEL. MAGNÉTISME [en ligne]. In Encyclopædia Universalis. Disponible sur : (consulté le )
Médias
Enregistrement numérique : écriture et lecture
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Performances d'un aimant
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Arrangements complexes
Encyclopædia Universalis France
Autres références
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MAGNÉTISME (notions de base)
- Écrit par Bernard PIRE
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Le magnétisme est une importante propriété de nombreux systèmes physiques ; ses caractéristiques sont maintenant globalement comprises dans le cadre de la théorie des champs électromagnétiques. Comme c’est souvent le cas, on a su utiliser ce phénomène bien avant d’en élucider le mécanisme ; le...
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PREMIÈRES ÉTUDES DU MAGNÉTISME
- Écrit par Bernard PIRE
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En 1600, l'Anglais William Gilbert (1544-1603), que ses contemporains appellent le « père de la philosophie magnétique », publie à Londres son De Magnete magnetecisque corporibus et magno magnete tellure. Quelque quatre cents ans après la propagation en Occident de la boussole inventée...
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AIMANTS
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Les aimants permanents sont des corps ferromagnétiques qui, une fois aimantés, conservent un certain état magnétique dont l'effet le plus sensible est d'attirer un morceau de fer.
C'est en 1600 que paraît le premier ouvrage sur les aimants : De magnete. Son auteur, William Gilbert,...
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COULOMB CHARLES AUGUSTIN (1736-1806)
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Coulomb est surtout connu aujourd'hui pour ses travaux sur l'électricité et le magnétisme, qui marquèrent une étape majeure de l'histoire de ces deux sciences. Il s'efforça d'étendre la conception newtonienne des forces centrales attractives et répulsives aux domaines de l'électricité et du magnétisme.... -
DIAMAGNÉTISME
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Les corps qui, contrairement aux substances dites magnétiques, possèdent une perméabilité magnétique μ (rapport entre le vecteur induction B et le vecteur champ H) inférieure à celle du vide sont dits diamagnétiques. Les lignes de force d'un champ magnétique sont alors repoussées vers l'extérieur...
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Voir aussi
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