Explication de l'aimantation

IV- Explication de l'aimantation

1) Expérience de l'aimant brisé

Lorsqu’on aimante une épingle en la frottant contre un aimant puis qu’on la plonge ensuite dans la poudre de fer, on observe qu’elle présente toujours deux pôles aux deux extrémités. Coupons la en deux au moyen d’une pince en la mettant sous un papier pour ne pas risquer de se blesser les yeux. Il réapparaît toujours un pôle sur le bout coupé, comme on l’observe en la plongeant dans la poudre de fer, de telle manière qu’il s’avère impossible d’isoler un pôle (voir vidéo ci-dessus).

Si l’on recommence à couper les morceaux en deux, le phénomène se répète. On peut imaginer une expérience de pensée ou on continue à couper les morceaux en deux. Est-ce possible à l’infini ? Non, quand on sera arrivé à un atome unique (ατομα veut dire insécable en grec), il sera impossible de continuer. Extrapolant le résultat précédent jusqu’à un atome unique, on en déduit que le secret de l’aimantation réside dans le fait qu’un atome unique se comporte comme un aimant.

2) Corps paramagnétiques et ferromagnétiques

On peut alors repartir dans l’autre sens, et, supposant que pour un corps donné, les atomes sont de petits aimants, voir ce qui se passe lorsqu’on les rassemble. Pour cela, dans l'animation jointe (explication détaillée de l'animation avec ce lien) une multitude de petits aimants mobiles en rotation sont placés proches les uns des autres. Ces aimants interagissent avec leurs voisins (deux pôles de mêmes noms se repoussent et deux pôles de noms contraires s'attirent). Ici, on considère une interaction magnétique entre proches voisins. Dans la réalité, l'interaction est électrostatique, mais tend également à orienter les petits aimants parallèlement ou antiparallèlement (corps ferromagnétiques dans le premier cas, antiferromagnétiques ou ferrimagnétiques dans le second cas).

Dans la plaquette du dessous, l'interaction entre les lignes et les colonnes a à peu près la même intensité. Dans la plaquette du dessus, l'interaction entre deux aimants de deux lignes voisines est plus faible.

À basse température, quand l'agitation thermique est faible (dans l'animation on ajoute une agitation aléatoire en rotation d'autant plus forte que la température est sensée être forte), les aimants se regroupent en domaines d'orientations identiques. On a un corps ferromagnétique. Suivant que les domaines restent bloqués quand on enlève l'aimant qui les a tous orientés dans le même sens, ou suivant qu'ils ne restent pas bloqués, on a un aimant ou un matériau doux (comme le fer pur). Au dessus d'une certaine température dite température de Curie et propre à chaque substance, les domaines ne se forment plus, ce qui n'empêchent pas les petits aimants de s'orienter approximativement en présence d'un gros aimant et d'être globalement attirés, mais plus faiblement. On a une substance paramagnétique comme l'oxygène liquide. La vidéo ci-dessus avec les petites boussoles fixées sur une planche de contreplaqué mets bien en évidence la transition ferro-para quand on chauffe.

C'est quand les petits aimants s'alignent dans le sens de la longueur de l'objet qu'il y a le plus de pôles nords en face de pôles suds et que l'énergie est la plus basse. Un objet s'aimante donc spontanément en présentant deux pôles opposés aux extrémités; c'est le cas d'une manière évidente pour deux boussoles très près l'une de l'autre. Mais, on peut de force aimanter un corps avec deux pôles opposés sur deux faces planes opposées par exemple. Tel est le cas de l'aimant posé dans la cuillère de la vidéo du chapitre précédent.

3) Le moteur à transition paramagnétique-ferromagnétique

Les pièces de un Franc étaient en Nickel pur. Au dessus de la température de Curie du Nickel qui vaut 358°C, la pièce de un Franc est très faiblement attirée par un aimant et n'est donc pas retenue proche de l'aimant. À basse température (en dessous de 358°C), le Nickel est ferromagnétique et est fortement attiré par un aimant. On réalise ainsi un moteur thermique comme on le voit dans l'animation ci-dessus, et dans la vidéo ci-contre à droite. Pour le fer, la température de Curie est de 770°C. Lorsqu'on fait le moteur avec un trombone (vidéo suivante), on voit qu'il faut qu'il soit chauffé au rouge pour ne plus être attiré. On a ainsi une preuve que les pièces de un Franc ne sont pas en acier et que l'acier n'est pas le seul métal à être attiré par un aimant. La différence des points de Curie qui se manifeste par le fait qu'un objet doit être chauffé au rouge et pas l'autre, met bien en évidence la différence.

4) Origine de l'aimantation atomique

Nous avons vu au paragraphe 4 du chapitre III sur les aimants au cycle 3, qu'un courant électrique circulaire se comporte comme un aimant. Or, dans un atome, les électrons tournent en rond autour du noyau, créant ainsi autant de courants électriques circulaires. De plus, l'électron possède un spin, ce qui correspond intuitivement à une rotation de l'électron sur lui-même. Il correspond également un courant électrique circulaire à cette rotation. Ce sont ces rotations de particules chargées microscopiques qui sont à l'origine de l'aimantation de chaque atome d'une substance sensible au magnétisme.

5) La plupart des corps sont pratiquement insensibles au magnétisme

On peut alors se demander pourquoi si peu de corps sont sensibles à l’effet magnétique. Montrons tout d'abord que dans les isolants, les électrons se regroupent deux par deux avec des rotations opposées, ce qui annule l’aimantation : dans les sels, les ions ont un nombre pair d’électrons, et le regroupement deux par deux est total. Dans une substance non ionique, les électrons célibataires qui restent sont mis en commun deux par deux pour faire des liaisons chimiques, et les deux électrons de chaque liaison ont encore une aimantation totale nulle. Ce n’est pas le cas tout de même pour toutes les liaisons chimiques. Certaines orbitales moléculaires peuvent garder des électrons célibataires ; c’est le cas de la molécule O₂ qui est paramagnétique (vidéo ci-contre à droite). Seules les couches électroniques quantiques d et f peuvent rester avec un nombre impair d’électron, en étant profondes et ainsi sans participer à des liaisons chimiques. Ce phénomène explique par exemple le magnétisme de la magnétite Fe₃ O₄ . Pour les métaux, les électrons délocalisés qui assurent la conductivité électrique sont obligés de se tasser dans des états quantiques différents, donc de rotations opposées ; le magnétisme des électrons délocalisés, le paramagnétisme de Pauli est donc très faible (sous l’action d’un champ magnétique, les spins s’alignent tout de même un peu avec ce dernier). À la température ordinaire, seuls le Fer, le Cobalt et le Nickel sont ferromagnétiques. Il s’agit du ferromagnétisme de STONER des électrons délocalisés. Deux électrons de même spin, contrairement à deux électrons de spin opposés, sont obligés de s’éviter, car s’ils étaient trop près l’un de l’autre, il seraient alors totalement dans le même état quantique (position et spin), ce qui est interdit. Leur énergie de répulsion électrostatique est alors plus faible que celle de deux électrons de spin opposés donc d’aimantation nulle qui peuvent s’approcher. Il peut donc dans certains cas être favorable énergétiquement que tous les spins des électrons de conduction dans un domaine soient alignés et de même sens. C’est le cas du Fer, du Cobalt et du Nickel. Suite : unification de l'électricité et du magnétisme