Qu’est-ce que le ferromagnétisme ?

Les matériaux ferromagnétiques sont les matériaux qui ont la possibilité de devenir des aimants permanents. Ils sont essentiellement constitués de fer, de nickel et de cobalt. Ces éléments leur confèrent une forte capacité d’aimantation. Ils différent des matériaux paramagnétiques par le fait d’avoir la propriété de s’aimanter lorsqu’il y a présence d’un champ magnétique, qu’ils ont la possibilité de créer : les atomes des matériaux ferromagnétiques sont composés d’électrons qui tournent sur eux même et cette rotation crée un champ magnétique. 

Les atomes vont se regrouper en domaines : dans un même domaine, les atomes ont des champs magnétiques identiques. Cependant chaque domaine a un champ magnétique orienté différemment et ils finissent donc par s’annuler les uns les autres. 

Dans un aimant permanent, tous les électrons créent un champ orienté de la même façon, donc au lieu de s’annuler ils s’additionnent. Lorsque l’on rapproche un aimant permanent d’un matériau ferromagnétique, les domaines de champs de celui-ci vont s’orienter de manière à créer un seul et même domaine comme un aimant permanent. Cette propriété a été prouvé grâce à la lumière polarisée :

Les domaines ont la même direction mais pas le même sens ce qui créé les stries claires et foncées.

Les matériaux ferromagnétiques gardent leurs propriétés d’aimantation jusqu’à une certaine température définit par la température de Curie. Elle a été découverte par le physicien français Pierre Curie en 1895.  Après le point de Curie dépassé, le matériau perd son aimantation. A l’inverse, si la température passe en dessous du point de Curie, l’élément retrouve ses propriétés ferromagnétiques. Par exemple celui du cobalt est de 1115°C et celui du fer de 770°C.

Les matériaux ferromagnétiques sont utilisés pour la fabrication des électro-aimants. L’électroaimant est constitué de bobines c’est-à-dire d’un noyau en fer autour duquel on a enroulé un fil électrique. En faisant circuler un courant électrique, les électrons vont s’agiter et ce mouvement crée un champ magnétique. Un électro-aimant est composé de deux bobines (ou enroulement d’excitation) auxquelles sont accrochées des pièces polaires composées de matériaux ferromagnétiques. Les bobines lorsqu’elles sont sous tension vont créer un champ magnétique et aimanter les pièces polaires. Il comporte aussi un système de refroidissement pour éviter d’atteindre la température de Curie car l’agitation des électrons crée de la chaleur.

Il existe différentes formes, tailles ou compositions de pièces polaires. En fonction de ces paramètres, la réaction au champ magnétique appliqué sur les différents éléments est différente. Certains éléments comme le bismuth, une fois suspendu à un fil, s’orientent en fonction de la force du champ magnétique appliqué par la tension choisie. Les flammes présentent aussi des propriétés magnétiques. Les flammes sont déviées lorsqu’un champ magnétique important y est appliqué. 

Pour voir les applications du magnétisme sur ces éléments plus en détail, voir la vidéo des "pièces polaires en action".

Pour aller plus loin :

Lorsque le champ magnétique est retiré, les substances ferromagnétiques peuvent garder une partie de leur aimantation et ainsi garder une propriété magnétique, mais elles peuvent aussi perdre ce magnétisme par le phénomène d'Hystérésis magnétique. Le graphique du cycle d'hystérésis (ci-dessous) représente la déformation d'un élément magnétique en fonction de l'aimantation (m) et du champ magnétique (h). 

Vidéo: "C'est pas sorcier: Le magnétisme":

Ce billet fait partie du dossier "Les pièces polaires KéZaKo ?"