Qu'est-ce qui fait que les aimants attirent les objets et pourquoi certains matériaux sont-ils magnétiques alors que d'autres ne le sont pas ? Cet article explore les origines et les applications du magnétisme, en s'intéressant aux structures atomiques et aux différents types de matériaux magnétiques. Découvrez la science qui sous-tend le magnétisme et les diverses utilisations des matériaux magnétiques dans la technologie moderne, qu'il s'agisse d'articles ménagers courants ou d'applications industrielles de pointe. En comprenant ces principes, vous comprendrez le rôle essentiel que joue le magnétisme dans notre monde.
Le magnétisme fascine depuis longtemps.
Il y a plus de 3 000 ans, les Chinois ont découvert dans la nature des aimants naturels capables de s'attirer les uns les autres ou d'attirer des morceaux de fer. Grâce à leur imagination débordante, les gens ont comparé ce phénomène à l'amour d'une mère pour son enfant.
Ceci a été enregistré dans "Lushi Chunqiu - Jiqiuji" : "Les pierres gentilles appellent le fer et elles sont attirées."
La boussole, l'une des quatre grandes inventions anciennes de la Chine, est un exemple de l'utilisation du magnétisme par les Chinois de l'Antiquité.
Comme nous le savons, une pierre magnétique est en fait un minerai de fer (généralement de la magnétite Fe3O4). Nous savons également que le fer peut être attiré et magnétisé par un aimant.
Mais pourquoi ont-ils du magnétisme ou sont-ils magnétisés ?
Comment le magnétisme est-il produit ?
Pour expliquer les propriétés macroscopiques du magnétisme dans les matériaux, nous devons commencer par les atomes et étudier l'origine du magnétisme.
"La structure détermine les propriétés". Bien entendu, le magnétisme est également déterminé par la structure interne des atomes de la matière.
La relation entre la structure atomique et le magnétisme peut être résumée comme suit :
(1) La propriété magnétique d'un atome provient du spin et du mouvement orbital des électrons.
(2) La présence d'électrons non remplis à l'intérieur de l'atome est une condition nécessaire pour que le matériau soit magnétisé.
(3) L'"interaction d'échange" entre les électrons est la raison fondamentale du magnétisme des atomes.
Le magnétisme atomique est à la base des matériaux magnétiques, et le magnétisme atomique provient du moment magnétique des électrons.
Le mouvement des électrons est à l'origine du moment magnétique des électrons. Les électrons ont à la fois un mouvement de rotation autour du noyau atomique et un mouvement de spin intrinsèque.
Par conséquent, le moment magnétique des électrons se compose de deux parties : le moment magnétique orbital et le moment magnétique de spin.
Selon la théorie de l'orbite atomique de Bohr, les électrons à l'intérieur des atomes se déplacent autour du noyau atomique sur une certaine orbite.
Le mouvement des électrons le long de l'orbite correspond à un courant circulaire, qui produira un moment magnétique orbital en conséquence.
Le plan du moment magnétique orbital de l'électron dans un atome peut prendre différentes directions, mais dans un champ magnétique directionnel, la direction de l'orbite de l'électron ne peut être que dans plusieurs directions fixes, c'est-à-dire que la direction de l'orbite est quantifiée.
L'origine du magnétisme provient du spin de la charge électronique, connu sous le nom de moment magnétique de spin de l'électron.
Sous l'action d'un champ magnétique externe, le moment magnétique de spin ne peut être que parallèle ou antiparallèle au moment magnétique orbital.
Dans de nombreux matériaux magnétiques, le moment magnétique de spin des électrons est plus important que le moment magnétique orbital des électrons.
En effet, dans un cristal, la direction du moment magnétique orbital de l'électron est modifiée par le champ du réseau cristallin, et il ne peut donc pas former un moment magnétique composite qui se projette à l'extérieur du matériau, ce qui conduit à ce que l'on appelle communément l'"extinction" ou le "gel" du moment angulaire orbital et du moment magnétique orbital.
Par conséquent, le magnétisme de nombreux matériaux à l'état solide ne provient pas principalement du moment magnétique orbital de l'électron, mais plutôt du moment magnétique de spin de l'électron.
Bien sûr, il existe également un moment magnétique de spin nucléaire, mais il est généralement beaucoup plus petit que le moment magnétique de spin électronique (de trois ordres de grandeur) et peut donc être ignoré.
Dans un atome, en raison du principe d'exclusion de Pauli, il n'est pas possible que deux électrons se trouvent dans le même état.
Seuls deux électrons au maximum peuvent être logés dans une orbite, de sorte que lorsqu'une orbite est remplie d'électrons, leurs moments magnétiques de spin s'annulent car ils doivent avoir des spins opposés.
Pour que l'atome forme un moment magnétique à l'extérieur, il faut qu'il y ait une orbite électronique non remplie.
Bien entendu, comme le montrent les exemples, il ne s'agit que d'une condition nécessaire. Des métaux tels que Cu, Cr, V et de nombreux lanthanides ont des orbites électroniques non remplies, mais ils ne présentent pas de magnétisme (en particulier de ferromagnétisme).
Avant d'aborder l'interaction d'échange des électrons, examinons d'abord la manifestation macroscopique du magnétisme matériel.
Selon les différentes propriétés magnétiques mises en évidence au niveau macroscopique par la superposition de l'action des moments magnétiques atomiques, les matériaux magnétiques peuvent être classés en diamagnétiques, paramagnétiques, ferromagnétiques, antiferromagnétiques et ferrimagnétiques.
(1) Le diamagnétisme
Le diamagnétisme fait référence au fait qu'en l'absence de champ magnétique, le moment magnétique des atomes dont l'enveloppe électronique est entièrement remplie est égal à zéro, ou que le moment magnétique total de certaines molécules est nul, et qu'il n'y a pas de magnétisme macroscopique.
Mais sous l'action d'un champ magnétique, le mouvement orbital des électrons produit un mouvement supplémentaire, qui se traduit par un moment magnétique induit opposé à la direction du champ magnétique externe, mais d'une valeur très faible.
Ce phénomène est appelé diamagnétisme.
Les matériaux diamagnétiques courants sont Na+, K+, Ca2+, F-, Cl, etc.
(2) Paramagnétisme
Le paramagnétisme fait référence au fait que les atomes ont des moments magnétiques qui ne s'annulent pas complètement et qu'ils ont donc un moment magnétique total.
Cependant, comme la direction des moments magnétiques atomiques est chaotique, les effets externes s'annulent et il n'y a pas de magnétisme macroscopique.
Mais sous l'action d'un champ magnétique externe, chaque moment magnétique atomique s'aligne plus souvent dans la direction du champ magnétique, et moins souvent contre lui, ce qui peut se manifester par un faible magnétisme au niveau macroscopique. En fait, le matériau est ainsi magnétisé.
Les expériences montrent que plus la température est élevée, plus l'aimantation des matériaux paramagnétiques est faible. Cela s'explique par le fait que le mouvement thermique détruit l'orientation régulière des moments magnétiques atomiques.
Plus la température est élevée, plus l'énergie thermique des atomes est importante, ce qui rend plus difficile l'alignement des moments magnétiques atomiques avec le champ magnétique externe, et donc la magnétisation est plus faible.
(3) Ferromagnétisme
Le ferromagnétisme désigne le phénomène par lequel des atomes adjacents peuvent être alignés de manière ordonnée dans la direction d'un champ magnétique externe en raison d'interactions mutuelles.
En général, les matériaux ferromagnétiques peuvent atteindre une magnétisation élevée même dans des champs magnétiques faibles ; après la suppression du champ magnétique externe, ils peuvent encore conserver un magnétisme fort.
Pourquoi les matériaux ferromagnétiques peuvent-ils être magnétisés jusqu'à saturation même dans des champs magnétiques faibles ?
En effet, les moments magnétiques atomiques internes de ces matériaux ont déjà été alignés dans une certaine direction, dans une certaine mesure, sans l'action d'un champ magnétique externe, ce que l'on appelle communément l'aimantation spontanée.
Cette magnétisation spontanée est divisée en petites régions, et dans chaque région, les moments magnétiques atomiques sont parallèles les uns aux autres. Ces petites régions sont appelées domaines magnétiques.
Les orientations spontanées de l'aimantation des divers domaines magnétiques à l'intérieur du matériau sont différentes les unes des autres, et elles annulent leurs effets respectifs à l'extérieur, de sorte que l'ensemble du matériau ne présente pas de magnétisme macroscopique.
En d'autres termes, les matériaux ferromagnétiques sont composés de petits "aimants" disposés de manière irrégulière et ne présentent pas de magnétisme externe en raison de régularités statistiques.
Toutefois, lorsqu'une force extérieure (champ magnétique externe) oriente la polarité de chaque "petit aimant" dans la même direction, le magnétisme externe est fort.
L'aimantation spontanée des domaines magnétiques à l'intérieur des matériaux ferromagnétiques est une raison importante de leur ferromagnétisme.
Cela explique pourquoi les "atomes avec des enveloppes électroniques non remplies" ne sont qu'une condition nécessaire au magnétisme matériel.
Au sens strict, ce que nous appelons habituellement magnétisme devrait en fait être du ferromagnétisme.
Par conséquent, des éléments tels que le Mn et le Cr, bien qu'ils possèdent également des moments magnétiques atomiques, n'ont pas de magnétisme interne (ferromagnétisme).
(4) Antiferromagnétisme
L'antiferromagnétisme désigne le phénomène par lequel, sous l'action d'un champ magnétique, des atomes ou des ions adjacents ayant le même spin s'arrangent dans des directions opposées, ce qui fait que leurs moments magnétiques s'annulent, les rendant semblables à des matériaux paramagnétiques et ne présentant pas de magnétisme.
(5) Ferrimagnétisme
Le ferrimagnétisme est essentiellement un antiferromagnétisme dans lequel les moments magnétiques inverses de deux sous-réseaux ne s'annulent pas complètement.
Il est similaire au ferromagnétisme en ce qu'il présente un magnétisme fort, mais différent du ferromagnétisme en ce que son magnétisme provient de la différence entre deux moments magnétiques inégaux et dirigés de manière opposée.
Actuellement, de nombreux ferrites (oxydes composites composés de fer et d'un ou plusieurs métaux) qui ont été étudiés appartiennent aux matériaux ferrimagnétiques.
Le ferrimagnétisme et l'antiferromagnétisme sont étroitement liés. À partir d'une structure antiferromagnétique connue, il est possible de la reconfigurer en substituant des éléments pour obtenir un matériau ferrimagnétique qui conserve la structure magnétique d'origine mais possède deux sous-réseaux avec des moments magnétiques inégaux.
Les matériaux ferromagnétiques et ferrimagnétiques sont collectivement appelés matériaux fortement magnétiques et représentent la principale orientation du développement des matériaux magnétiques.
Interaction Voyons maintenant comment l'interaction d'échange des électrons affecte le moment magnétique de spin des électrons et donc le magnétisme macroscopique des matériaux.
L'interaction d'échange entre atomes fait généralement référence à l'interaction électrostatique causée par l'échange mutuel de positions d'électrons dans des atomes adjacents.
Concrètement, lorsque deux atomes sont proches l'un de l'autre, en plus de considérer que l'électron 1 se déplace autour du noyau 1 et que l'électron 2 se déplace autour du noyau 2, puisque les électrons sont indiscernables, il faut également envisager la possibilité d'échanger les positions des deux électrons, de sorte que l'électron 1 semble se déplacer autour du noyau 2 et que l'électron 2 semble se déplacer autour du noyau 1.
Par exemple, dans un atome d'hydrogène, ce type d'échange d'électrons se produit à une fréquence d'environ 1018 fois par seconde. La variation d'énergie causée par cette interaction est appelée énergie d'échange, notée Eex.
En général, l'énergie de la liaison atomique peut être exprimée comme suit :
E=E0+E '=E0+(C+A)
Où E0 est l'énergie totale de chaque atome dans son état fondamental ;
C est l'incrément d'énergie résultant de l'interaction électrique statique de Coulomb entre les noyaux et les électrons ;
A est l'incrément d'énergie résultant de l'échange d'électrons, généralement appelé constante d'énergie d'échange.
A dépend du degré de proximité des enveloppes électroniques partiellement remplies des atomes voisins, et c'est une énergie qui mesure l'ampleur de l'interaction d'échange.
Des preuves expérimentales montrent que le changement d'énergie (c'est-à-dire l'énergie d'échange Eex) causé par l'interaction d'échange de deux électrons dans une molécule d'hydrogène peut être approximativement exprimé comme suit :
Eex =ΔE=-2ASaSbcosφ
Où Sa et Sb représentent les nombres quantiques de spin des deux électrons. φ est l'angle entre les directions des moments magnétiques de spin des deux électrons, et sa plage de variation possible est de 0° à 180°.
Bien que l'équation ci-dessus soit obtenue à partir de l'interaction d'échange entre des atomes d'hydrogène ne possédant qu'un seul électron, elle a une signification générale pour l'analyse qualitative de l'interaction d'échange d'atomes à plusieurs électrons. Une analyse plus approfondie révèle que :
(1) Lorsque A>0, si φ=180°, cosφ=-1, ce qui indique que les directions des moments magnétiques de spin des deux électrons sont opposées, c'est-à-dire que les moments magnétiques de spin des électrons sont disposés de manière antiparallèle, et Eex(180)=+2ASaSb; si φ=0°, indiquant que les directions des moments magnétiques de spin des deux électrons sont les mêmes, et que les moments magnétiques de spin des électrons sont disposés parallèlement, Eex(0)=-2ASaSb.
De plus, si 0°<φ<180°, les directions de spin des deux électrons ne sont ni identiques ni opposées mais séparées par un angle φ, et leur énergie d'échange Eex se situe entre les deux, c'est-à-dire que Eex(0°)<Eex<Eex(180°). Selon la loi fondamentale de la minimisation de l'énergie dans l'état le plus stable, on peut constater que l'énergie du système n'est minimisée que lorsque φ=0°, moment où le système se trouve dans l'état le plus stable.
Lorsque les directions des moments magnétiques de spin adjacents des deux électrons sont les mêmes, les moments magnétiques de spin des électrons sont nécessairement disposés parallèlement, ce qui donne lieu à une magnétisation spontanée et conduit à l'existence du ferromagnétisme dans la matière.
(2) Lorsque A < 0, seulement lorsque φ = 180°, l'énergie du système entier est minimisée, ce qui signifie que la direction du spin de l'électron est disposée de manière antiparallèle, ce qui correspond à l'antiferromagnétisme.
(3) Lorsque |A| est très petit, l'interaction d'échange entre ces deux atomes adjacents est faible, et l'énergie d'échange Eex est très faible. Lorsque φ est autour de 90o, l'énergie est faible, de sorte que la direction du moment magnétique est chaotique et que le matériau est paramagnétique.
En résumé, les propriétés spécifiques du magnétisme des matériaux dépendent de A, c'est-à-dire du degré de proximité des enveloppes électroniques non remplies d'atomes voisins.
Le magnétisme des matériaux est donc déterminé par la distribution des électrons dans les atomes et la structure cristalline du matériau.
Les caractéristiques du magnétisme rendent les matériaux magnétiques essentiels au développement des industries de haute technologie et constituent un pilier important pour l'avancement de la science et de la technologie. Ils constituent également un domaine de recherche très actif dans la technologie moderne.
Étant donné le rôle prépondérant des matériaux magnétiques dans la société de l'information actuelle, le niveau de développement technologique d'un pays peut être reflété par ses matériaux magnétiques, et la demande de ce type de matériaux peut être utilisée pour évaluer le niveau économique et le niveau de vie moyen d'un pays.
Ensuite, nous décrirons brièvement quelques matériaux magnétiques courants dans la vie de tous les jours.
Le terme "matériaux magnétiques" désigne principalement les matériaux ferromagnétiques et ferrimagnétiques.
En fonction de leur distribution magnétique, ils peuvent être divisés en matériaux magnétiques durs (permanents), matériaux magnétiques semi-durs et matériaux magnétiques doux.
Matériaux Les matériaux magnétiques doux sont des matériaux qui sont facilement magnétisés et démagnétisés par le courant alternatif et qui ont généralement des propriétés ferrimagnétiques.
Ils ont des propriétés particulières :
(1) Grâce à la magnétisation par un champ magnétique externe, ils peuvent avoir une intensité d'induction magnétique maximale élevée ;
(2) Sous l'effet de la magnétisation d'un champ magnétique externe d'une certaine intensité, les matériaux magnétiques doux peuvent eux-mêmes avoir une intensité d'induction magnétique plus élevée ;
(3) La résistance au mouvement des domaines magnétiques dans les matériaux magnétiques doux est faible.
En raison de ces propriétés, les matériaux magnétiques doux sont largement utilisés dans les domaines de la communication, de la radiodiffusion, de la télévision, de l'instrumentation et de la technologie électronique moderne. Ils sont couramment utilisés comme noyaux pour les générateurs et les transformateurs de distribution.
Dans ces domaines, les matériaux magnétiques doivent être très sensibles aux variations des champs magnétiques externes.
Si le matériau est difficile à magnétiser ou si les propriétés magnétiques ne sont pas facilement libérées après la magnétisation, il ne peut pas répondre aux exigences de ces applications. Les matériaux ferrimagnétiques souples sont idéaux pour ces applications.
C'est pourquoi les matériaux ferrimagnétiques doux comptent parmi les matériaux magnétiques les plus anciens, les plus divers, les plus productifs et les plus largement utilisés.
Les matériaux magnétiques durs, également connus sous le nom d'aimants permanents, peuvent conserver une forte magnétisation après avoir été magnétisés et peuvent fournir un champ magnétique constant dans un espace donné pendant une longue période sans consommer d'énergie électrique.
Il s'agit généralement de matériaux ferromagnétiques. Les matériaux magnétiques durs sont largement utilisés dans les moteurs électriques, les générateurs, les haut-parleurs, les roulements, les fixations et les dispositifs de transmission.
Le magnétisme permanent des matériaux magnétiques durs est précisément ce dont ces champs ont besoin.
Par exemple, les moteurs électriques et les générateurs ont besoin d'un corps magnétique avec un champ magnétique constant pour fonctionner, et les aimants permanents sont idéaux car ils ne consomment pas d'énergie électrique pour maintenir leurs propriétés magnétiques.
Cependant, en raison de la faible variabilité des matériaux magnétiques durs, bien qu'ils offrent une grande stabilité, leur champ d'utilisation est limité.
Les matériaux magnétiques semi-durs ont des propriétés qui se situent entre les matériaux magnétiques doux et les matériaux magnétiques durs.
Ils se caractérisent par une intensité d'induction magnétique résiduelle stable sous des champs magnétiques externes inférieurs à une certaine valeur (comme les matériaux magnétiques durs), mais ils ont également tendance à changer la direction de leur magnétisation sous des champs magnétiques inverses supérieurs à un certain seuil, comme les matériaux magnétiques doux.
Par conséquent, les matériaux magnétiques semi-durs sont utilisés comme matériaux dynamiques, et avec la société de plus en plus intelligente, il y a une demande croissante de matériaux dynamiques, ce qui fait des matériaux magnétiques semi-durs un domaine de développement prometteur.
Les applications comprennent les relais, les dispositifs de stockage semi-fixes et les dispositifs d'alarme.
Le support d'enregistrement magnétique est un type important de matériau magnétique semi-dur, largement utilisé dans les dispositifs de stockage d'informations tels que les disques durs, les bandes magnétiques et les cartes de crédit.
Les matériaux magnétiques semi-durs jouent un rôle essentiel dans ces applications en raison de leurs propriétés dynamiques.
Si l'on prend l'exemple des disques durs, le matériau magnétique semi-dur est principalement utilisé dans la partie disque.
Lorsque le disque tourne, si la tête reste dans la même position, chaque tête crée une piste circulaire sur la surface du disque.
Ces pistes circulaires sont appelées pistes, qui sont en fait des circuits magnétiques avec des trous.
Pendant le processus d'écriture, l'ordinateur convertit l'information en courant électrique et l'envoie à la bobine située autour de la tête.
Le courant dans la bobine magnétise la tête et le champ magnétique généré par la tête magnétisée magnétise le support sur la piste.
La taille du courant étant différente, le champ magnétique de la tête change, ce qui modifie l'aimantation du support magnétique et permet d'enregistrer des données différentes.
Lorsque la tête et le disque se déplacent, de grandes quantités d'informations sont enregistrées sur le disque.
Le processus de lecture se déroule dans le sens inverse du processus d'écriture, en utilisant le champ magnétique du support magnétique pour produire un changement de flux magnétique sur la tête, générant un courant variable dans la bobine, qui sert de signal électrique utilisable par l'ordinateur.
Les matériaux magnétiques jouent un rôle important dans notre vie quotidienne et leur importance est évidente. Nous pensons qu'une meilleure compréhension du magnétisme et les progrès de la technologie des matériaux magnétiques permettront d'élargir encore leurs applications dans notre vie.
L'analyse ci-dessus est relativement générale et simple.
Comprendre les principes profonds et la manière de contrôler les propriétés magnétiques des matériaux magnétiques pour notre usage sera la direction que nous devrons prendre pour continuer à progresser à l'avenir.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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