Origine du magnétisme et classification

Généralement, l’immersion totale d’un solide quelconque dans un champ magnétique ne conduit à aucun effet particulier sur sa structure ou ses propriétés. Cependant, l’application d’un champ magnétique extérieur ~H sur toute substance dite magnétique produit une induction magnétique

~

B à l’intérieur et à l’extérieur de cette dernière. En effet, le champ magnétique au voisinage de

l’échantillon peut être multiplié par un facteur cent voire mille car chacun des atomes de ce solide, au contact d’un champ magnétique, se comporte comme un petit aimant caractérisé par un moment magnétique ~m. L’existence du moment magnétique atomique est déterminée par le mouvement des

électrons autour de l’atome. Ainsi, le magnétisme des atomes résulte du mouvement des électrons qui induisent un moment magnétique dit orbital ~m, associé à leur révolution autour du noyau,

ainsi qu’un moment magnétique dit de spin ou moment cinétique ~l, associé à leur rotation sur eux-mêmes.

La formule suivante montre la relation qui relie les deux grandeurs induction ~B et champ

magnétique ~H ainsi que le moment magnétique :

~

B = µ0 H + ~~ M exprimée dans le système SI (1.9)

~

B = ~H + 4π ~M exprimée dans le système CGS (1.10)

µ0 correspond à la perméabilité magnétique du vide (vaut 4π.10−7 en SI et 1 en CGS) et

l’aimantation ~M represente la densite volumique de moments magnétiques dans la substance.

La grandeur caractéristique des materiaux magnétiques est la perméabilité s’écrivant µ. Cette grandeur complexe représente la capacite du matériau à réagir à un champ magnétique, radio- fréquence pour les cas qui nous intéresse. La partie réelle µ0 caractérise l’aptitude du matériau à canaliser les lignes de champ magnétiques environnantes alors que sa partie imaginaire µ00 caracté- rise la capacité du materiau à dissiper l’énergie par effet joule. Bien que tout matériau magnétique possède une perméabilité, celle-ci est généralement faible si l’ensemble du matériau ne réagit pas de manière homogène.

Afin de quantifier les contributions relatives orbitales et de spin au moment magnétique, le rapport gyromagnétique ~γ a été introduit par Landé dès 1921 [55] :

~γ = m~

~l (1.11)

Pour des raisons historiques, seul le système CGS est employé dans l’état de l’art, c’est pourquoi nous nous conformons à ce choix [56].

Concernant la classification des matériaux, les grandeurs suivantes permettent de distinguer trois principales classes de matériaux [56], [55].

~

M = χ ~H (1.12)

~

B = (1 + 4πχ) ~H (1.13)

χ est la susceptibilité magnétique du milieu et µ = 1 + 4πχ est la perméabilité magnétique relative

du matériau. χ et µ, étant des tenseurs de grandeurs complexes respectivement microscopique et macroscopique, caractérisent l’aptitude du matériau à s’aimanter sous l’effet d’un champ magné- tique extérieur ou bien sa capacité à canaliser les lignes de champs magnétiques environnantes. Trois types de comportements magnétiques peuvent être définis à partir des valeurs de χ ou µ, conduisant à la classification suivante :

– Diamagnétisme : χ<0 mais χ ≈ 10−5 – Paramagnétisme : χ>0 mais χ ≈ 10−3

– Ferromagnétisme : χ>0 mais χ ≈ 10+2− 10+6

Dans les paragraphes suivants, nous décrivons les classes de comportement magnétique les plus répandues et nous en proposons une brève interprétation phénoménologique à l’échelle micro- scopique. On distinguera les comportements diamagnétiques, paramagnétiques, ferromagnétiques, antiferromagnétiques et ferrimagnétiques.

Le diamagnétisme

Nous nous intéressons en premier lieu au comportement diamagnétique, qui constitue la « ré- ponse magnétique » la plus universelle puisque partagée par tous les matériaux, qu’ils soient in- trinsèquement magnétiques ou non. Il est caracterisé par χ < 0 et de faible amplitude χ ≈ 10−5, le diamagnétisme définit en général des substances qui ne comportent que des atomes non magné- tiques. L’origine du diamagnétisme résulte de l’effet d’un champ magnétique donnant à l’ensemble du mouvement électronique une vitesse angulaire de rotation autour de la direction du champ magnétique appliqué, il s’agit du phénomène classique d’induction. Ce moment magnétique induit est proportionnel au champ appliqué et s’oppose à ce dernier. C’est l’origine du diamagnétisme qui est donc un phénomène tout à fait général mais qui peut être masqué par les autres phénomènes dont l’effet est plus important.

Le paramagnétisme

Le paramagnétisme concerne la situation où les atomes magnétiques sont dilués au sein de la substance étudiée et donc sans interactions. Il est définit par χ > 0 mais χ ≈ 10−3 ou moins. Son origine s’explique par le fait que lorsque les atomes possèdent leur propre moment magnétique per- manent, le diamagnétisme (toujours présent) est masqué par le paramagnétisme. Sous l’effet d’un champ magnétique extérieur, ces atomes, petits aimants permanents, s’orientent selon le champ appliqué et l’amplifient. Ce phénomène est limité par l’agitation thermique et dépend fortement de la température.

Table 1.4 – Quelques valeurs de susceptibilité. Exemples de matériaux paramagnétiques

Matière χ Na 8,6.10−6 Al 7,7.10−6 Mn 1,2.10−4 Pt 1,2.10−5 CoO 0,75.10−3 Le ferromagnétisme

Par définition, c’est la propriété qu’ont certains corps à s’aimanter très fortement sous l’effet d’un champ magnétique extérieur, et pour les matériaux magnétiques durs (aimants) de garder une aimantation importante même après la disparition du champ extérieur. L’application d’un champ

magnétique ~H résulte en un alignement et une réorientation des domaines ferromagnétiques et

conduit à un cycle d’hystérésis. On parle alors d’une aimantation spontanée, c’est-à-dire présentant une polarisation magnétique même en champ nul, ou rémanente très élevée et χ devient très grand tout en variant avec ~H. Les moments magnétiques d’atomes voisins sont parallèles entre

eux. Par ailleurs, il est intéressant de noter qu’au-delà d’une certaine température critique TC (température de Curie), les ferromagnétiques perdent leurs propriétés magnétiques et se comportent comme des paramagnétiques car plus la température augmente, plus l’agitation thermique des atomes augmente. Ces derniers deviennent plus mobiles et moins stables. Ainsi, dans les corps ferromagnétiques, les fluctuations des moments magnétiques atomiques, au-delà de la température de Curie sont telles, que le corps perd toute organisation magnétique et devient paramagnétique.

L’antiferromagnétisme

Par apposition au ferromagnétisme, les matériaux antiferromagnétiques se caractérisent par un arrangement anti-parallèle des atomes voisins comme le montre la figure 1.28.

Figure 1.27 – Réseau de spins dans un matériau antiferromagnétique.

Dans ce type de matériaux les ions magnétiques sont partagés entre deux sous-réseaux entre lesquels agissent de puissantes interactions négatives qui créent, à basse température, des aiman- tations spontanées partielles orientées en sens inverse mais d’égale amplitude. Par conséquent elles se détruisent [57]. Les matériaux antiferromagnétiques présentent alors une aimantation macrosco- pique spontanée nulle.

Le ferrimagnétisme

Par définition, un matériau ferrimagnétique est un matériau qui possède deux sous-réseaux qui n’ont pas la même aimantation. A l’intérieur d’un domaine, les moments de spins des atomes peuvent être opposés ; le moment résultant étant positif, négatif ou nul. Il existe une analogie évidente entre ferrimagnétiques et antiferromagnétiques. En effet, les aimantations spontanées par- tielles orientées en sens inverse sont inégales et donnent ainsi une résultante observable. Les ferrites, qui sont des ferrimagnétiques, sont donc des antiferromagnétiques imparfaits.

Récapitulatif des classes de matériaux

Le schéma suivant regroupe les différentes classes de matériaux présentés en fonction de leur densité de flux.

Figure 1.28 – Classification des matériaux magnétiques doux.