Le magnétisme représente un ensemble de phénomènes physiques dans lesquels les objets exercent des forces attractives ou répulsives sur d'autres matériaux. Les courants électriques et les moments magnétiques des particules élémentaires fondamentales sont à l’origine du champ magnétique qui engendre ces forces. Tous les matériaux sont influencés, de manière plus ou moins complexe, par la présence d'un champ magnétique, et l’état magnétique d'un matériau dépend de sa température (et d'autres variables telles que la pression et le champ magnétique extérieur) de sorte qu'un matériau peut présenter différentes formes de magnétisme selon sa température.

Les aimants permanents possèdent des moments magnétiques permanents à l’origine du ferromagnétisme. Cependant, la plupart des matériaux ne possèdent pas de moments permanents. Parmi ces derniers, certains sont attirés par la présence d’un champ magnétique (paramagnétisme); d'autres sont au contraire repoussés par celui-ci (diamagnétisme); d'autres encore ont une relation beaucoup plus complexe avec un champ magnétique appliqué (antiferromagnétisme).

Les substances qui sont affectées de façon négligeable par les champs magnétiques sont considérées comme étant des substances non-magnétiques, encore dites amagnétiques.

Histoire

Depuis la nuit des temps et au fil des âges, le magnétisme a toujours fasciné les esprits ! Considéré comme un des grand miracles de la nature, il fut encore au XVII siècle appelé « le labyrinthe et abîme impénétrable des philosophes » par Athanasius Kircher dans son monumental traité sur l’aimant. Ce phénomène physique hors du commun est à l’origine de choses surprenantes comme l’attraction ou la répulsion d’objets, voire dans certains cas leur lévitation. Cependant, les conditions de la découverte du magnétisme reste encore à ce jour inconnues : impossible donc d'y associer une date précise.

De l'Antiquité au XVII siècle : La genèse du Magnétisme

Gravure d'une boussole (XII siècle)

On attribue à Aristote ce qu'on pourrait appeler la première « discussion scientifique » sur le magnétisme avec Thalès de Milet, qui a vécu entre 625 et 545 av. J.-C. Vers la même époque, dans l'Inde ancienne, le chirurgien indien Sushruta, était le premier à faire usage de la pierre d'aimant à des fins chirurgicales . Mais le premier à qui l'on attribue véritablement la découverte de l’aimantation, c'est le philosophe grec Platon (427 av. J.-C.-347 av. J.-C.).

Il est extrêmement compliqué de situer l'invention de la boussole, mais c'est pourtant le premier objet qui permit aux Hommes d'apprivoiser et d'utiliser le magnétisme pour leur faciliter la vie. Pour les européens, cette invention est située à la fin du XII siècle. Alexander Neckam (1157-1217) a écrit « De naturis rerum » dans lequel il mentionne la « boussole qui indique le nord et guide les marins ». Le trouvère Guiot de Provins(1150-1220) a composé un poème dans lequel il mentionne également la boussole. Jacques de Vitry (1170-1240) nous parle lui d’une aiguille qui, touchée par l’aimant, reste pointée vers l’étoile Polaire. On a longtemps attribué l'invention de la boussole à l'italien Flavio Gioia en 1302, mais les historiens ont démontré au XX siècle que ces faits n'étaient pas véritablement fondés. Une autre hypothèse a alors été avancée : ce serait un Majorquin du nom de Raymond Llull (1232-1315) qui aurait pour la première fois découvert le pouvoir d’une aiguille d’acier touchée par l’aimant de se diriger vers le nord qui l'aurait utilisé pour la navigation.

Pour les chinois, cette découverte remonte à une époque plus ancienne. L’ouvrage « Mengxi bitan » écrit en 1088 par le médecin Shen Gua(960-1127) décrivait déjà une aiguille indiquant le sud lorsqu’elle était frottée par la pierre d’aimant.

Enfin, l’hypothèse selon laquelle les arabes auraient apporté la boussole de Chine en Europe par la navigation a été abandonnée. Le plus probable est en réalité que la boussole ait été inventée indépendamment en Europe et en Chine.

Au XVI siècle, les premières observations expérimentales sont menées par l’érudit napolitain Giambattista Della Porta. Il rend compte dans Magia naturalis (1589), de ses expériences de physique sur l'attraction du fer par la pierre d'aimant, sur les propriétés des deux pôles de l'aimant, sur le fonctionnement d'un aimant cassé. À peu près à la même époque, le savant anglais William Gilbert (1544-1603) travaillait sur le magnétisme d'une manière beaucoup plus systématique. Dans son ouvrage, De magnete, publié en 1600, il fit le bilan de près de vingt ans d'expériences. Il préfigure, par la mise en pratique de la méthode expérimentale, le savant de type baconien.

Puis au XVII siècle, le physicien René Descartes(1596-1650) marque une évolution dans l'histoire du magnétisme. Il fut le premier à établir une théorie physique sur le magnétisme dans son ouvrage « Les principes de la philosophie » (1**4).

XIX siècle : La révolution de l’électromagnétisme

Expérience de Luigi Galvani(1791)

La deuxième moitié du XVIII siècle voit naître un intérêt croissant pour les phénomènes électriques ainsi que le début d’une quête visant à découvrir le lien entre l’électricité et le magnétisme.

Cela commence avec le physicien et médecin italien Luigi Galvani. Ce dernier étudie l’influence de l’électricité sur les membres inférieurs de grenouilles. Ses expériences l’amènent à publier ses résultats dans une étude : « De viribus electricitatis in motu musculari. Commentarius » en 1791. Dans cette étude, il formule l’hypothèse d’une « électricité animale » secrétée par le cerveau et qui se déchargerait en reliant les nerfs et les muscles par du métal.

Mermer - Mémoire sur la découverte du magnétisme animal

André-Marie Ampère

Michael Faraday

Ces travaux inspirèrent le médecin viennois Franz Mesmer qui exploitait le « magnétisme animal » pour prodiguer des soins à ses patients. Devant la popularité de cette méthode pourtant controversée, le roi Louis XVI ordonne, en 1784, à deux commissions composées de médecins et de scientifiques d’évaluer la rigueur scientifique de cette méthode. Ces commissions condamnèrent le magnétisme animal pour cause de moralité publique. C’est donc à cette période que le mot magnétisme prend deux sens différents : on distingue désormais le magnétisme animal du magnétisme physique.

En 1820, pour la première fois, le lien entre l’électricité et le magnétisme est mis en évidence par le physicien danois Hans Christian Œrsted au cours d’une expérience. Le physicien place une boussole sous un fil dans lequel il fait passer un courant électrique. Il observe comme résultat que l’aiguille de la boussole se place perpendiculairement à la direction du fil traversé de courant. Une vidéo de vulgarisation réalisée par le CNRS permet de voir et comprendre cette expérience . Il publie ses résultats le 21 juillet 1820 dans un article « Expermienta circa effectum conflictus electrici in acum magneticam » qui sera traduit et diffusé dans toute l’Europe. La même année, les résultats d’Œrsted arrivent entre les mains des physiciens français François Arago et André-Marie Ampère qui s’empressent de refaire l’expérience avec succès.

Cette expérience marque le début de la « révolution électromagnétique » : les années qui vont suivre 1820 seront témoins de grands changements tant par la compréhension des phénomènes électromagnétiques que par la mise en application de ces phénomènes par de nouvelles inventions.

Toujours en 1820, les français Jean-Baptiste Biot et Félix Savart parviennent à décrire mathématiquement le champ magnétique généré par une distribution de courants continus. La loi de Biot-Savart constitue le pilier de la magnéto-statique (étude des champs magnétiques indépendants du temps).

En 1821, André-Marie Ampère théorise le magnétisme par l’existence dans les matériaux conducteurs d’innombrables particules minuscules chargées électriquement et en mouvement. La même année, Michael Faraday crée un premier moteur électrique primitif en « inversant » l’expérience d’Oersted. Il place un aimant permanent dans un bain de mercure et place un fil parcouru par un courant électrique dans ce bain. Le fil se met à tourner de manière circulaire.

En 1825, le physicien anglais William Sturgeon crée le premier électro-aimant pratique. Peu de temps après l’invention du moteur électrique, Michael Faraday découvre en 1831 l’induction électromagnétique, soit l’apparition d’une force électromotrice dans un conducteur électrique soumis à un champ magnétique variable. Ce phénomène constitue actuellement la base de notre technologie et trouve son application dans les transformateurs, les dynamos ou bien encore dans les alternateurs. Faraday décrit également en 1845 le paramagnétisme et le diamagnétisme.

La deuxième partie du XIX siècle sera marquée par la formulation des équations de Maxwell publiées en mars 1861 dans l’étude « On physical lines of forces ». Dans cette étude, le physicien écossais James Clerk Maxwell rassemble les travaux sur le magnétisme et sur l’électricité réalisés par Michael Faraday et André-Marie Ampère en un ensemble de vingt équations qui, plus tard, seront réduites à quatre. Ces équations décrivent le comportement du champ électromagnétique et ses interactions avec la matière.

En 1887, l’inventeur américain d’origine croate Nikola Tesla invente le premier moteur électrique à induction, utilisant les travaux de Michael Faraday sur le moteur électrique, l’induction électromagnétique et le courant alternatif. En 1890, le physicien et ingénieur écossais James Alfred Ewing étudie les propriétés magnétiques des métaux et découvre le phénomène d’hystérésis.

Quelques années plus tard, le physicien français Pierre Curie étudie à son tour les propriétés magnétiques des matériaux et met en évidence que la susceptibilité magnétique d’un matériau est inversement proportionnelle à sa température. Il en tirera la loi de Curie en 1895.

Enfin, à la toute fin du XIX siècle, l’ingénieur danois Valdemar Poulsen invente, en 1898, l’enregistrement magnétique en créant un dispositif permettant de transformer les variations de champ magnétique d’une bande en un signal électrique.

XX siècle : Des progrès scientifiques et techniques

Portrait de Pierre Curie(1859-1906).

C'est à la fin du XIX siècle et au début du XX que l'étude théorique des matériaux magnétiques est abordée avec succès. Paul Langevin, s'inspirant notamment des travaux de Pierre Curie, utilise la physique statistique de Boltzmann pour établir la théorie statistique classique du paramagnétisme. Il précise également les notions de magnétisme induit et permanent.

Ses théories de l'antiferromagnétisme (1936) et du ferrimagnétisme (1948) vaudront à Louis Néel le prix Nobel de physique en 1970. C'est un an après la publication de la première qu'est découvert le premier antiferromagnétique incontestable, MnO, par Henri Bizette et Belling Tsaï.

L'avènement de la mécanique quantique, et particulièrement la découverte du spin de l'électron en 1925 par George Uhlenbeck et Samuel Goudsmit, eurent une importance fondamentale. En effet, cela permit d'expliquer l'origine des champs moléculaires gigantesques observés dans les substances fortement magnétiques, dont l'existence ne pouvait être démontrée par la seule interaction dipolaire magnétique entre moments magnétiques atomiques. Werner Heisenberg montra ainsi en 1929 que ces champs étaient d'origine électrostatique et de nature quantique, et qu'ils pouvaient s'interpréter en termes de couplage entre deux spins voisins.

Ludwig Boltzmann(1844_1906)

Le phénomène de résonance magnétique nucléaire (RMN), basé sur le couplage entre le moment magnétique du noyau des atomes et le champ magnétique externe, est découvert par Felix Bloch et Edward Purcell en 1946, ce qui leur vaudra un prix Nobel en 1972. Dès les années 1960, des scientifiques comprennent que la RMN peut avoir des applications dans le domaine de la médecine, et c'est ainsi que la première image obtenue par résonance magnétique (IRM) est réalisée par l'américain Paul Lauterbur en 1973.

Une autre découverte importante du XX siècle est celle des supraconducteurs, effectuée par Kamerlingh Onnes en 1911. Les supraconducteurs ouvrent des perspectives immenses car ils permettent d'utiliser une composante du magnétisme jusqu'alors sous-exploitée : la lévitation.En 1986, Johannes Georg Bednorz et Karl Müller, découvrent des supraconducteurs à haute température critique (supérieure à 30K), contredisant les théories établies jusqu'alors. Cette famille de matériaux permet de transporter beaucoup plus d'électricité dans des câbles bien plus petits, et laisse donc envisager des progrès considérables dans les domaines des transports ou encore des nouvelles technologies. Des trains à sustentation magnétiques utilisant les supraconducteurs sont actuellement en fonctionnement et promettent une révolution de nos moyens de transport.

Notions de base

Définition des grandeurs fondamentales du magnétisme

Le champ magnétique est une grandeur ayant le caractère d'un champ vectoriel, c'est-à-dire caractérisée par la donnée d'une norme, d’une direction et d’un sens, définie en tout point de l'espace, permettant de modéliser et quantifier les effets magnétiques du courant électrique ou des matériaux magnétiques comme les aimants permanents.

Par exemple, il règne un champ magnétique lorsqu'une aiguille aimantée prend une direction déterminée.

direction : celle de l'aiguille aimantée qui détecte le flux magnétique du champ.

sens : choisi selon le sens sud-nord de l'aiguille aimantée.

norme : unité SI, le tesla (T).

Il existe trois sources différentes de champ magnétique :

les aimants permanents

le courant électrique (c'est-à-dire le déplacement d'ensemble de charges électriques)

la variation temporelle d'un champ électrique (induction magnétique).

Deux champs vectoriels apparentés portent le nom de champ magnétique, et sont notés (qui s'exprime en tesla) et (qui s'exprime en ampère par mètre). Il est fréquent en physique fondamentale d'utiliser le terme champ magnétique pour bien que cette appellation soit d'après les normes réservée à . En effet, en toute rigueur il convient d'utiliser les termes champ magnétique pour et induction magnétique pour . Nous choisirons cependant d'appeler le champ magnétique dans cet article. Ces deux sont reliées par la perméabilité du vide selon la relation .

L’aimantation est une grandeur vectorielle qui caractérise à l'échelle macroscopique le comportement magnétique d'un échantillon de matière. Elle a comme origine le moment magnétique orbital et le moment magnétique de spin des électrons. Elle se mesure en ampères par mètre ou, parfois, en teslas par µ0.

On pose : , avec : perméabilité du vide, et , l'aimantation

La présence du champ magnétique se manifeste par l'apparition d'une force agissant sur les charges électriques en mouvement (dite force de Lorentz) ainsi que par divers effets affectant certains matériaux et qui seront détaillés dans cet article (paramagnétisme, diamagnétisme ou ferromagnétisme selon les cas). La grandeur qui détermine l'interaction entre un matériau et un champ magnétique est la susceptibilité magnétique définie par le coefficient de proportionnalité, noté , donnant la relation .

Perméabilité et susceptibilité magnétiques

La présence du matériau modifie le champ magnétique. On pose :

avec : perméabilité magnétique du matériau

On définit par le vecteur aimantation acquise par la matière

avec : susceptibilité magnétique du matériau d'où :

d'où :

On pose aussi :

avec : perméabilité relative du matériau.

Cycle d'hystérésis d'un matériau ferromagnétique doux
Hc : Champ coercitif
Br : Champ rémanent
Bsat : Champ saturant

Cycles d'hystéresis

Lorsqu'on a magnétisé un échantillon de matériau jusqu'à la saturation et que l'on fait décroître l'excitation H, on constate que B décroît également, mais en suivant une courbe différente qui se situe au-dessus de la courbe de première aimantation. Ceci est le fait d'un retard à la désaimantation. On dit qu'il y a hystérésis.

Lorsque H est ramené à 0, il subsiste un champ magnétique Br appelé champ rémanent (du latin remanere, rester). Pour annuler ce champ rémanent, il est nécessaire d'inverser le courant dans le solénoïde, c’est-à-dire d'imposer à H une valeur négative. Le champ magnétique s'annule alors pour une valeur de l'excitation Hc appelée champ coercitif.

Description macroscopique du magnétisme dans la matière

Faraday a montré que toute substance est aimantable mais le plus souvent l'effet n'est appréciable que dans un champ magnétique intense ; en plaçant dans un champ magnétique non uniforme des barreaux de substances différentes :

certains sont attirés vers les régions de champ intense en s'orientant parallèlement aux lignes de champ comme le ferait un barreau de fer doux. Les substances qui sont comparables au fer sont dites ferromagnétiques ;

d'autres sont repoussées vers les régions où le champ magnétique est faible et s'orientent perpendiculairement aux lignes de champ ; de telles substances sont dites diamagnétiques.

Les substances qui subissent des actions de même nature que le fer mais beaucoup moins intenses sont dites paramagnétiques.

Un solénoïde (enroulement cylindrique) parcouru par un courant d'intensité crée un champ magnétique noté . Si, à l'intérieur de ce solénoïde on place un matériau, on constate une modification du module du vecteur champ magnétique que l'on notera maintenant .

Remarque : dans certains ouvrages anciens ou certains livres techniques est appelé vecteur induction magnétique

Les matériaux sans ordre magnétique à l'état naturel

Diamagnétisme

Le diamagnétisme est un comportement des matériaux qui les conduit, lorsqu'ils sont soumis à un champ magnétique, à générer un autre champ magnétique opposé, créé par une très faible aimantation. Lorsque le champ n’est plus appliqué, l’aimantation disparaît. Le diamagnétisme est un phénomène qui apparaît dans toute la matière atomique, mais il est masqué par les effets du paramagnétisme ou du ferromagnétisme lorsque ceux-ci coexistent avec lui dans le matériau.

Description classique du diamagnétisme

Quand on applique un champ magnétique, le flux magnétique passant à travers la surface décrite par la trajectoire fermée de l'électron est modifié. L'électron réagit selon le phénomène classique d'induction, ce qui induit un moment magnétique opposé et proportionnel au champ appliqué. C'est l'origine du diamagnétisme qui est un phénomène présent dans tous les matériaux mais qui peut être masqué par les autres phénomènes (en particulier paramagnétiques) dont l'effet est plus important.

Limite de la description classique

Cette description a ses limites. En effet, on a dû supposer que le rayon de l'orbite de l'électron était constant ; autrement le calcul donnerait une réponse magnétique nulle.

Ainsi, il n'est pas possible d'ignorer l'aspect quantique de ce phénomène : en 1919, dans sa thèse de doctorat, J. H. van Leeuwen prouva qu'il était impossible d'expliquer le magnétisme uniquement à l'aide de l'électrodynamique de Maxwell et de la mécanique statistique classique. C'est l'essence du théorème de Bohr-van Leeuwen.

Description quantique du diamagnétisme

Dans les isolants : si la vision classique du diamagnétisme avec la loi de Lenz est erronée, l'approche quantique à partir de l'écriture de l'hamiltonien en présence d'un champ magnétique justifie cette interprétation de la modification des orbites électroniques.

Dans les métaux : en plus du diamagnétisme atomique précédent des électrons de cœur, on peut observer une autre contribution des électrons de conduction. Celle-ci est due à la présence de niveaux de Landau discrets (à la place de la structure de bandes continue) dès que le champ appliqué est non nul. C'est le diamagnétisme de Landau.

Remarque : on emploie le terme de diamagnétisme parfait pour désigner le comportement des supraconducteurs qui créent en leur sein des courants induits surfaciques qui s'opposent à toute variation de champ magnétique et maintiennent un champ magnétique interne nul pour les supraconducteurs de type I. Cette propriété est utilisée pour produire la lévitation magnétique avec des supraconducteurs (de type II).

Paramagnétisme

Le paramagnétisme désigne en magnétisme le comportement d'un milieu matériel qui ne possède pas d'aimantation spontanée mais qui, sous l'effet d'un champ magnétique extérieur, acquiert une aimantation dirigée dans le même sens que ce champ d'excitation. Un matériau paramagnétique possède donc une susceptibilité_magnétique de valeur positive (contrairement aux matériaux diamagnétiques), en général assez faible. Cette aimantation disparaît lorsque le champ d'excitation est coupé, il n'y a donc pas de phénomène d'hystérésis comme pour le ferromagnétisme.

Le paramagnétisme ne désigne pas une propriété intrinsèque d'un matériau mais un comportement en réponse à un champ magnétique, comportement qui peut changer selon les conditions considérées. Ainsi, un matériau ferromagnétique devient paramagnétique quand sa température dépasse sa température de Curie.

À l'échelle microscopique, on peut décrire un matériau paramagnétique comme un ensemble de dipôles magnétiques indépendants. La réponse du système à un champ magnétique appliqué est alors déterminée par le rapport de forces entre l'énergie magnétique d'une part qui tend à ordonner les dipôles en les alignant selon le champ appliqué, et l'énergie d'agitation thermique d'autre part qui favorise le désordre. Le traitement de ce problème par la physique statistique permet de démontrer la loi de Curie qui affirme que la susceptibilité magnétique d'un matériau paramagnétique est inversement proportionnelle à la température.

Description classique du paramagnétisme

Lorsque les atomes possèdent leur propre moment magnétique permanent, 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 : (loi de Curie : )

Limite de la description classique

On a supposé que les moments magnétiques avaient une norme constante alors que la mécanique classique autorise tous les moments, car encore une fois on aurait trouvé une réponse magnétique inexistante. Le raisonnement précédent est donc semi-classique, et doit être complété par un raisonnement quantique.

Description quantique du paramagnétisme

Dans les isolants : Il faut modifier l'approche classique en se rappelant que les valeurs possibles de la projection du moment cinétique sont discrètes. Au lieu de calculer une intégrale donnant le paramagnétisme de Langevin, on doit calculer une somme discrète donnant le paramagnétisme de Brillouin. Ces deux approches tendent vers le même résultat dans la limite classique où le moment cinétique tend vers .

Dans les métaux : il existe une contribution supplémentaire due aux électrons de conduction, mais nettement plus faible que le paramagnétisme des isolants car elle ne concerne que les électrons près du niveau de Fermi. L'application d'un champ magnétique va énergétiquement favoriser les électrons de spin parallèle (énergie Zeeman), et le système aura alors plus d'électrons de conduction de spin parallèle qu'anti-parallèle. Ainsi, on observe une réponse paramagnétique, c'est le paramagnétisme de Pauli. Pour des électrons presque libres, on montre que la réponse paramagnétique de Pauli est en valeur absolue trois fois plus grande que la contribution de Landau. Donc le diamagnétisme est cachée par l'effet paramagnétique.

Aimants naturels et permanents : Ferromagnétisme

Ferromagnétisme

Les matériaux ferromagnétiques sont des corps qui ont la capacité de s'aimanter sous l'effet d'un champ magnétique extérieur et de garder cette aimantation. Ils se distinguent des paramagnétiques qui ne conservent pas leur aimantation à champ nul. Il en existe deux sous catégories, à savoir les ferromagnétiques durs (qui sont utilisés pour fabriquer des aimants permanents) et les ferromagnétiques doux. Ces matériaux sont communément utilisés dans le monde de l'industrie, ainsi que dans la vie quotidienne. L'usage le plus commun est le "magnet" qui est un aimant permanent (un ferromagnétique dur) que l'on collectionne sur son réfrigérateur. L'aimantation rémanente est due à un ordre à l'échelle microscopique (défini par l'interaction d'échange d'Heisenberg) et par un ordre à l'échelle du matériau (paroi de Bloch, domaine de Weiss).

En effet, lorsqu'un matériau est ferromagnétique ou ferrimagnétique, il est divisé en domaines, appelés domaines de Weiss, à l'intérieur desquels l'orientation magnétique est identique. Chaque domaine se comporte alors comme un aimant. Ces domaines sont séparés par des parois dites parois de Bloch.

Ces domaines n'existent pas lorsque les dimensions du matériau sont très faibles (quelques nm). Ces matériaux sont dits nanocristallins.

Le déplacement de ces parois est responsable des phénomènes d'hystérésis.

Les anisotropies magnétiques expliquent les axes de facile d'aimantation.

Corps ferromagnétiques

Pour l'usage industriel, le fer, le cobalt et le nickel sont les matériaux ferromagnétiques les plus utilisés. De plus, certaines terres rares (les Lanthanides dans la classification périodique) sont également ferromagnétiques à basse température et utilisées dans l'industrie.

En ce qui concerne les alliages, la situation est très complexe : certains alliages de fer et de nickel ne sont pas ferromagnétiques (ex: acier inoxydable austénitique), alors que l'alliage d'Heusler, constitué uniquement de métaux non ferromagnétiques (61 % Cu, 24 % Mn, 15 % Al), est ferromagnétique.

Enfin, il faut ajouter les ferrites, dont la composition est de la forme (MO ; Fe2O3) où M est un métal divalent et dont le représentant le plus ancien est la magnétite Fe3O4 (FeO ; Fe2O3).

Courbe de première aimantation

Partons d’une aimantation nulle à champ nul. En augmentant faiblement le champ extérieur, des moments magnétiques dans certains domaines vont se retourner. Si un domaine est déjà aligné dans le sens du champ appliqué, les domaines voisins vont petit-à-petit s’aligner. Cela revient à dire que l’on a déplacé la paroi de Bloch. Ce mécanisme est réversible pour de faible champ. Il devient irréversible pour des champs extérieurs moyens. Enfin, pour de fortes excitations magnétiques, se produit une rotation des aimantations des domaines dans la direction du champ extérieur. Macroscopiquement, Ms est atteinte.

Conséquences de l'hystérésis pour des matériaux ferromagnétiques

L'aimantation de la matière absorbe de l'énergie qui n'est que partiellement restituée au cours de la désaimantation. Cette énergie est dissipée sous forme calorifique : le matériau s'échauffe. On démontre que les pertes par hystérésis sont proportionnelles à l'aire du cycle d'hystérésis.

Dans le cas où une substance ferromagnétique doit décrire un grand nombre de cycles d'hystérésis (machines tournantes, transformateurs…), il faut choisir des matériaux tels que l'aire du cycle soit aussi petite que possible. Ces matériaux sont dits magnétiquement « doux. »

À l'opposé, c'est grâce à une hystérésis importante que l'on peut réaliser des aimants permanents. On utilise pour leur fabrication des matériaux magnétiquement durs : certains aciers à l'aluminium, au nickel ou au cobalt conviennent parfaitement. On réalise aussi des aimants avec de la poudre de fer agglomérée dans un isolant.

Matériaux magnétiques doux

Les matériaux ferromagnétiques doux forment un sous-groupe des matériaux ferromagnétiques, ce qui signifie qu’ils sont capables de s'aimanter lorsqu'ils sont soumis à un champ magnétique extérieur. La particularité des matériaux ferromagnétiques doux est que l'action de créer ou d’annuler l’aimantation dans le matériau nécessite moins d'énergie que pour les matériaux ferromagnétiques durs. Les ferromagnétiques doux sont utilisés dans les transformateurs, les électro-aimants ou dans toute application dans laquelle le matériau travaille à haute fréquence. Ils possèdent un champ coercitif très faible avec une très forte susceptibilité. C'est cette forte susceptibilité qui permet d'obtenir une forte induction à partir d'un faible champ extérieur et ainsi être utile dans les électro-aimants ou à la canalisation des lignes de champs. Un faible champ coercitif et une forte susceptibilité entrainent l'étroitesse du cycle d’hystérésis. L'aire de ce cycle représente l'énergie dissipée sous forme de chaleur lors d'un parcours complet du cycle, appelée "pertes magnétiques".

Les matériaux magnétiques doux sont utilisés pour réaliser des électroaimants (leur aimantation doit pouvoir facilement être annulée) ou des circuits magnétiques fonctionnant en régime alternatif (machines électriques, transformateurs).

Matériaux magnétiques durs

Les matériaux ferromagnétiques durs forment un sous groupe des matériaux ferromagnétiques. Ils possèdent une aimantation naturelle présente en absence de champ magnétique extérieur, ainsi qu'un champ coercitif et une rémanence élevés. Comme pour les autres matériaux ferromagnétiques, les ferromagnétiques durs ont la particularité de s’aimanter fortement en présence d’un champ magnétique extérieur. On distingue les ferromagnétiques durs des ferromagnétiques doux par leurs propriétés magnétiques, telles que la forme de leur cycle d’hystérésis. Le cycle d'hystérésis des ferromagnétiques doux est fin et allongé vers le haut, alors que celui des ferromagnétiques durs est aplati et allongé sur l'axe des abscisses. Les matériaux ferromagnétiques durs sont à la base des aimants permanents, et notamment des aimants à forte puissance.

Contrairement aux précédents, les cycles sont extrêmement larges : plusieurs centaines de kA.m. Il est impossible de les dessiner dans un même repère que les précédents.

Certains de ces matériaux à base de terres rares (alliages samarium-cobalt ou néodyme-fer-bore) ne se désaimantent pas, même lorsqu'on annule le champ magnétique interne (l'excitation vaut alors HcB). Pour annuler (en fait inverser) l'aimantation, il est nécessaire de fournir une excitation magnétique que l'on appelle HcM : excitation de désaimantation irréversible.

L'application de ces matériaux est la réalisation d'aimants permanents de très forte puissance. Les ferrofluides sont des suspensions de particules aimantées de taille nanométrique dans un liquide. Ces liquides réagissent à un champ magnétique extérieur (par exemple, leur surface se hérisse de pointes).

Origine microscopique du ferromagnétisme

Pour obtenir un matériau avec un champ coercitif important, il faut limiter la nucléation et/ou la propagation des parois, qui sont à l’origine du renversement de l’aimantation. Plus l'aimantation se renverse facilement, plus le champ coercitif du matériau est faible, et plus il y a de domaines magnétiques. Les défauts structuraux vont agir comme sites de nucléation. Afin d’éviter ce phénomène, le matériau peut être divisé en plusieurs parties isolées magnétiquement. De ce fait, le renversement de l’aimantation provoqué par un défaut restera localisé, et ne provoquera pas un effet de cascade de renversement dans le matériau. La technique la plus utilisée pour obtenir une telle microstructure est la métallurgie des poudres.

Domaines de Weiss

Lorsqu'un matériau est ferromagnétique ou ferrimagnétique, il est divisé en domaines, appelés domaines de Weiss, à l'intérieur duquel l'orientation magnétique est identique. Ce domaine se comporte alors comme un aimant. Ces domaines sont séparés par des parois dites parois de Bloch.

Ces domaines n'existent pas lorsque les dimensions du matériau sont très faibles (quelques nm). Ces matériaux sont dits nanocristallins.

Le déplacement de ces parois est responsable des phénomènes d'hystérésis.

Classification des effets magnétiques

Ci-dessous un récapitulatif des principales familles de matériaux magnétiques évoquées dans cet article, classées selon leur susceptibilité magnétique  :

Type de magnétisme Valeur de Signe de Moment magnétique des atomes Exemples Diamagnétisme Extrêmement faible, de l'ordre de 10 Négatif Aucun Argent, or, cuivre, mercure, plomb, presque tous les composés organiques Paramagnétisme Très faible, de l'ordre de 10 Positif Orientés au hasard Platine, manganèse, aluminium et certains composés d'éléments ferromagnétiques par exemple l'alliage 68 % fer 32 % de nickel Ferromagnétisme Très grande, il peut atteindre 10 Positif Alignés Fer, cobalt, nickel et un grand nombre de leurs alliages, en particulier les aciers, et certain de leurs composés, ainsi que certaines combinaisons d'éléments non ferromagnétiques Antiferromagnétisme Très grande Positif Alignés parallèles et antiparallèles Chrome, oxyde de manganèse, hématite Ferrimagnétisme Très grande, il peut atteindre 10 Positif Alignés et antiparallèles Ferrite de baryum

En électrotechnique seuls les matériaux ferromagnétiques et ferrimagnétiques sont importants car ce sont les seuls à produire des augmentations du champ magnétique qui sont significatives (voir la partie sur les applications ci-dessous).

Applications

On dénombre de nombreuses applications du magnétisme dans la vie de tous les jours et dans le monde de l'industrie, deux d'entre elles sont présentées dans cette partie.

Stockage de l’information

L’intérêt d’utiliser le magnétisme comme support de l’information s’est posé lorsque l’on cherchait à minimiser l’énergie nécessaire au stockage. En effet, le principe repose sur les propriétés ferromagnétiques qui permettent de garder en mémoire l’orientation d’un champ externe appliqué. Ce sont sur des petits objets magnétiques que sont inscrites les données sauvegardées sur un disque dur par exemple. Ce type de stockage d'information ne nécessite pas un courant électrique et permet donc de conserver l'information dans les disques durs sans nécessiter de batterie ou de pile.

La technologie actuellement permet de stocker de plus en plus de données sur un espace réduit grâce à la miniaturisation de ces objets et à la précision de plus en plus élevée des moyens de lecture de ces informations.

Capteur de courant à effet Hall

Comme nous l’avons vu précédemment, lorsqu’un courant passe dans un conducteur, cela provoque la création d’un champ magnétique autour de ce conducteur. Cette propriété est utilisée pour mesurer des courants, avec les capteurs à effet Hall.

Le principe de l’Effet Hall est simple, le courant que l’on veut mesurer va générer un champ magnétique autour du fil, et c’est ce champ magnétique que l’on va pouvoir quantifier avec le capteur, et remonter ensuite à la valeur du courant qui parcourt le fil.

Pour des composants électroniques, les capteurs à effet Hall sont relativement peu coûteux. On peut les retrouver dans les smartphones ou les ordinateurs portables. Ce sont eux qui permettent de mettre en veille votre appareil quand l'écran d'un ordinateur portable est replié.

磁石会吸引铁钉。

在电磁学里，当两块磁铁或磁石相互吸引或排斥时，或当载流导线在周围产生磁场，促使磁针偏转指向，或当闭合电路移动于不均匀磁场时，会有感应电流出现于该电路中，这些都是与磁有关的现象。凡是与磁有关的现象也都会与磁场有关。

磁性是物质响应磁场作用的属性。每一种物质或多或少地会被磁场影响。铁磁性是最强烈、最为人知的一种磁性。由于具有铁磁性，磁石或磁铁会产生磁场。另外，顺磁性物质会趋向于朝着磁场较强的区域移动，即被磁场吸引；反磁性物质则会趋向于朝着磁场较弱的区域移动，即被磁场排斥；还有一些物质会与磁场有更复杂的关系，例如，自旋玻璃的性质、反铁磁性等等。外磁场对于某些物质的影响非常微弱。

物质的磁态与温度、压强、外磁场等等有关，依照温度或其它参数的不同，物质会显示出不同的磁性。

历史

泰勒斯 公元前六世纪希腊哲学家泰勒斯是最早描述磁石的磁性的几位学者之一。古希腊人认为，泰勒斯最先发现磁石吸引铁物质与其它磁石的性质。磁的英文术语「magnetism」传说是因最早在希腊发现磁石的地方麦格尼西亚（Magnesia）而命名。 在中国，磁性最早出现于一本公元前4世纪编写的书《鬼谷子》：「其察言也，不失若磁石之取针，舌之取燔骨」。察析这人的言词话语，就好像用磁石吸取铁针，又好像用舌尖探取炙肉中的骨头，绝对不能有所差失。公元一世纪，即东汉时期，王充在古籍《论衡》中亦有关于磁性的记载：「顿牟掇芥，磁石引针」，顿牟即琥珀，摩擦后的琥珀能吸引草芥，而磁石能吸引铁针。 沈括 公元1086-1093年，北宋科学家沈括在著作《梦溪笔谈》里清楚地描述关于指南针的制作与使用方法。由于这方法引入了天文学的真北的概念，航行的准确度得以大大改善。 公元1119年，北宋朱彧在著作《萍洲可谈》里详细地记述：「舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针」。这是航海史最早的关于使用指南针航海的纪录。 从美国天文学者约翰·卡森（John Carlson）在中美洲奥尔梅克文明发现的赤铁矿古物，卡森建议，早于公元前1000年，奥尔梅克人有可能已经发明与使用地磁磁石罗盘。假若这建议为正确，则这比中国的类似发现早了1000年以上。卡森推测奥尔梅克可能使用这类古物于占星或推卜用途，或找到寺庙、住家或坟墓的取向。 在欧洲，1187年，亚历山大·内侃（Alexander Neckam）最先写出罗盘的制作与导航用途。1269年，法国学者皮埃·德马立克（Pierre de Maricourt）写成《磁石书》（Epistola de magnete）。这是第一本尚存的描述磁石性质的著作。德马立克仔细标明了铁针在块型磁石附近各个位置的取向，从这些记号，又描绘出很多条磁场线。他发现这些磁场线相会于磁石的相反两端位置，就好像地球的经线相会于南极与北极。因此，他称这两位置为「磁极」。1282年，也门物理学者阿-亚希拉（Al-Ashraf）论述磁石与干罗盘的性质。 1600年，英国医生威廉·吉尔伯特发表了著作《论磁石》（De Magnete）。在这篇著作里，他设计出一种模型，称为「小地球」。他用这模型来描述他的种种实验。从这些实验，他推论地球具有磁性，因此，指南针的磁北极会指向北方（在此之前，很多学者认为是北极星或位于北极的一个巨大磁岛吸引着磁北极）。 1820年，由于哥本哈根大学物理教授汉斯·奥斯特的贡献，物理学者开始了解电与磁之间的关系。奥斯特发现载流导线的电流会施加作用力于磁针，使磁针偏转指向。这跨时代的实验知名为「奥斯特实验」。稍后，在这新闻抵达法国科学院仅仅一周之后，安德烈-玛丽·安培成功地做实验显示，假若所载电流的流向相同，则两条平行的载流导线会互相吸引；否则，假若流向相反，则会互相排斥。紧接着，法国物理学家让-巴蒂斯特·必欧和菲利克斯·沙伐于10月共同发表了必欧-沙伐定律；这定律能够正确地计算出在载流导线四周的磁场。 1825年，安培又发表了安培定律。这定律也能够描述载流导线产生的磁场。更重要的，这定律帮助创建整个电磁理论的基础。于1831年，麦可·法拉第发现，时变磁场会生成电场。这实验结果展示出电与磁之间更密切的关系。他又发明了发电机和电动机。 从1861年到1865之间，詹姆斯·马克士威将先前这些杂乱无章的方程序加以集成，给出了马克士威方程组。至此，马克士威统一了电学、磁学、光学理论。 1905年，阿尔伯特·爱因斯坦在他的论文里表明，电场和磁场是处于不同参考系的观察者所观察到的同样现象。详尽细节，请参阅条目移动中的磁铁与导体问题。 1888年，美国机械工程师奥柏林·史密斯（Oberlin Smith）发表文章于杂志 《电世界》（Electric World），首次阐述了磁性记录仪器。不久之后，于1898年，第一个磁性记录仪器真正诞生——这是现代硬盘和其他种磁存储技术的鼻祖。 1895年，皮埃尔·居里在他的博士论文里发表了关于磁性物质的研究。他发现了温度对于顺磁性的效应，今称为居里定律（Curie's law）。他又发现铁磁性物质的相变会显示出临界温度，即铁磁性物质失去其铁磁性的温度，今称为居里温度。 从20世纪至今，磁存储技术迅速发展，巨磁阻现象和垂直写入技术仍是目前磁学领域的最尖端课题。

磁源

电流是一群移动的电荷。电流或移动的电荷，会在周围产生磁场。

很多种粒子具有内秉的磁矩──自旋磁矩（spin magnetic moment）。这些磁矩，会在四周产生磁场。

磁性物质

假设外磁场垂直于自旋，则垂直磁化率近似为常数 。

假设外磁场平行于自旋，则在绝对温度0K时，平行磁化率为零；在从0K到奈尔温度 之间，平行磁化率会从 平滑地单调递增至 。

磁铁

磁铁能够产生磁场，吸引铁磁性物质如铁、镍、钴等金属。将条形磁铁的中点用细线悬挂起来，静止的时候，它的两端会各指向地球南方和北方，指向北方的一端称为指北极或N极，指向南方的一端为指南极或S极。如果将地球想成一块大磁铁，则目前地球的地磁北极是指南极，地磁南极则是指北极。磁铁与磁铁之间，同极相排斥、异极相吸引。所以，指南极与指南极相排斥，指北极与指北极相排斥，而指南极与指北极则相吸引。 磁铁可分为「永久磁铁」与「非永久磁铁」。永久磁铁可以是天然产物，又称天然磁石，也可以由人工制造（最强的磁铁是钕磁铁）。非永久性磁铁，例如电磁铁，只有在某些条件下才会出现磁性。 电磁铁 电磁铁是可以通电流来产生磁力的器件，属非永久磁铁，可以很容易地将其磁性启动或是消除。例如：大型起重机利用电磁铁将废弃车辆抬起。 当电流通过导线时，会在导线的周围产生磁场。应用这性质，将电流通过螺线管时，则会在螺线管之内制成均匀磁场。假设在螺线管的中心置入铁磁性物质，则此铁磁性物质会被磁化，而且会大大增强磁场。 一般而言，电磁铁所产生的磁场与电流大小、线圈圈数及中心的铁磁体有关。在设计电磁铁时，会注重线圈的分布和铁磁体的选择，并利用电流大小来控制磁场。由于线圈的材料具有电阻，这限制了电磁铁所能产生的磁场大小，但随着超导体的发现与应用，将有机会超越现有的限制。 电磁铁具有剩磁，因此自励式发电机能够自行启动，即使电磁铁没有电流。 永久磁铁 制造永久磁铁所使用的材料，必须具有宽广高长的磁滞回线。这样，当外磁场为零时，仍旧能够具有比较强烈的磁化强度；假若要将磁化强度变为零，需要施加比较强烈的外磁场。 铝镍钴合金 铝镍钴合金（Alnico）是一种铁合金，除了铁以外，还添加了铝（Al）、镍（Ni）、钴（Co）以及少量其他增强磁性能的成分。铝镍钴合金具有高矫顽性（coercivity），是很适合为永久磁铁的材料。铝镍钴合金坚硬易脆，无法冷加工（cold work），必需用铸造或者烧结（Sintering）处理制成。 举一个中间性质的各向异性铸造铝镍钴合金例子，Alnico-6的成分为8% Al、16% Ni、24% Co、3% Cu、1% Ti，其它都是Fe。Alnico-6的最大磁能积（BHmax）为3.9 百万高斯-奥斯特（megagauss-oersted，MGOe），矫顽性为780 oersted ，居里温度为860 °C，最高工作温度为525 °C。 于1931年，日本材料专家Mishima发现了一种特定成分的铝镍钴合金（58% Fe，30%Ni，12%Al），其矫顽性极高，是那时期最好的磁性钢的两倍。 钐钴磁铁 钐钴磁铁是一种稀土磁铁，是由钐、钴和其它金属稀土材料经配比制成的一种磁铁。于1970年发展成功，钐钴磁铁是现今磁性第二强烈的磁铁，具有较高的最大磁能积（BHmax），较高矫顽性，易碎，易裂。钐钴磁铁的最大磁能积的范围从 9 MGOe到 31 MGOe。钐钴磁铁有两种组成比，分别为(钐原子：钴原子)1:5和2:17。例如，2:17合金的最大磁能积为26 MGOe，矫顽性为9750 oersted ，居里温度为825°C，最高工作温度为350°C。 钕铁硼磁铁 经过镍电镀后的钕铁硼磁铁立方体。 钕铁硼磁铁是由钕、铁、硼（Nd2Fe14B）形成的四方晶系晶体。于1982年，住友特殊金属的佐川真人（Masato Sagawa）发现钕磁铁。这磁铁的磁能积（BHmax）大于钐钴磁铁，是全世界那时磁能积最大的物质。后来，住友特殊金属发展成功粉末冶金法（powder metallurgy process），通用汽车公司发展成功旋喷熔炼法（melt-spinning process），能够制备钕铁硼磁铁。这磁铁是现今磁性最强的永久磁铁，也是最常使用的稀土磁铁，被广泛地应用于电子产品，例如硬盘、手机、耳机以及用电池供电的工具等等。 为了避免腐蚀的损害，使用时需要在该永磁材料表面做保护处理，例如用金、镍、锌、锡进行电镀，以及表面喷涂环氧树脂等。

磁单极子

如果我们将带有磁性的金属棒截断为二，新得到的两根磁棒则会“自动地”产生新的磁场，重新编排磁场的北极、南极，原先的北极南极两极在截断磁棒后会转换成四极各磁棒一南一北。如果继续截下去，磁场也同时会继续改变磁场的分布，每段磁棒总是会有相应的南北两极。而磁单极子，如果真的存在的话，则是完全不同的物体。它是一个完全独立的南极，完全没有跟任何北极链接，或者反之亦然。尽管对磁单极子的系统研究从1931年就开始了，但到目前为止，还没有被观察到，而且非常可能并不存在。 然而，有些理论物理学模型则预言了磁单极子的存在。保罗·狄拉克在1931年断言，因为电场与磁场表现出某种对称性，就像在量子理论预言的正电荷或者负电荷并不需要相反的电荷存在，独立的南极或者北极应该也能被观测到。应用量子理论，狄拉克预言，如果磁单极子如果存在，就可以解释电荷的量子化 -- 就是为何可以观察到基本粒子带电量是电子带电量的倍数。 一些大统一理论也预言了磁单极子的存在：不同于基本粒子，磁单极子是孤波（局域能量包）。使用这些模型去估计大爆炸中产生的磁单极子的数目，得到的最初结果与对宇宙的观察结果相矛盾--磁单极子是如此的多而巨大，它们甚至可以阻止宇宙的膨胀。然而宇宙暴胀理论（也是这个理论被提出的原因之一）成功地解决了这问题。这个理论创建了一个模型，使得磁单极子在宇宙中存在，但数量极少的能够与实际观测相符合。