Sciences LE MAGNÉTISME
Publié le 29/01/2019
Extrait du document
dépend de la température et des éventuelles aimantations antérieures des corps. Il existe de nombreuses applications de ces matériaux, notamment les aimants permanents, qui sont susceptibles de créer des champs magnétiques sans dépense d’énergie (aimantation rémanente).
Pour aimanter un matériau ferreux, on peut le frapper violemment avec une barre aimantée, ce qui provoque l’alignement des domaines magnétiques du matériau avec le champ magnétique du barreau. D’autre part, on peut fabriquer un aimant en mélangeant du fer à une substance appelée liant. Pour obtenir un aimant efficace, on doit choisir un matériau qui conserve ses propriétés magnétiques suffisamment longtemps, qu’il soit soumis ou non à des champs magnétiques extérieurs, même élevés. Les ferrites, céramiques renfermant notamment de l’oxyde de fer, sont dites ferrimagnétiques. Elles présentent des caractéristiques magnétiques semblables aux corps ferromagnétiques, mais plus complexes.
Il existe un quatrième type de magnétisme: l’antiferromagnétisme. Dans les substances antiferromagnétiques, l’aimantation s’annule à des températures déterminées, en raison d’une orientation particulière des spins (moments angulaires intrinsèques) des atomes.
La supraconductivité
La supraconductivité désigne la propriété qu’ont certains métaux, alliages ou céramiques, de perdre leur résistance électrique lorsque leur température est abaissée jusqu’à une température dite critique et notée TC, caractéristique de la substance. Les matériaux concernés sont dits supraconducteurs: ils conduisent l’électricité sans perte d’énergie - leur résistance étant nulle - aux températures inférieures à TC.
En 1911, dans le cadre de ses recherches sur les très basses températures, le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) décela pour la première fois le phénomène de supraconductivité: à des températures inférieures à 4,2 K (-268,8°C; 0 Kelvin=-273,5°C), il constata que le mercure perd sa résistance électrique. En 1933, les Allemands Fritz Walther Meissner et Robert Ochsenfeld découvrirent qu’un supraconducteur était imperméable à un flux magnétique
en dessous de Tc. Mais il fallut attendre l’année 1957 pour qu’une théorie de la supraconductivité soit établie : les physiciens américains John Bardeen (1908-1991), Leon Cooper (né en 1930) et Robert Schrieffer (né en 1931) introduisirent la théorie BCS (de leur 3 initiales), qui leur valut le prix Nobel de physique en 1972.
Cette théorie décrit le phénomène de supraconductivité d’un point de vue quantique, en faisant intervenir les interactions entre phonons et électrons, ainsi que les interactions électrostatiques entre électrons. Elle explique comment ces derniers peuvent se déplacer dans la matière sans perte d’énergie. En 1962, le physicien britannique Brian David Josephson (né en 1940) découvrit qu'un courant électrique continu peut passer entre deux supraconducteurs situés à très faible distance l’un de l’autre et séparés par une mince barrière isolante. Ce phénomène est l’un des effets Josephson. Avant 1986, la plus haute température critique atteinte était de 23,2 K (-249,9°C), pour le niobiure de germanium (Nb3Ge). En 1986, on a découvert que certains oxydes supraconducteurs présentent une température critique de 77 K (-196 °C). Puis, un an plus tard, on a mesuré la température critique, soit 92 K (-181 °Ç), d’un composé de formule YBa2Cu3O7. En 1988, on a évalué à 125 K (-148 °C) la température critique du TIBaCaCuO. Ces composés sont des cuprates,
«
Le
magnétisme
les électrons gravitent autour des noyaux ato
miques sur des couches bien déterminées.
Cette
connaissance microscopique de la structure de la
matière permit au physicien d'expliquer J'appari
tion du magnétisme chez certains métaux de tran
sition, les lanthanides ou des composés de ces
éléments.
En 1925, les physiciens américains
Samuel Abraham Goudsmit (1902-1978) et George
Eugene Uhlenbeck (1900-1988) énoncèrent que
les électrons présentent un spin, c'est-à-dire un
moment cinétique propre, en dehors du moment
cinétique orbital dû à leur rotation autour des
noyaux atomiques.
Ainsi, les électrons se compor
tent comme de petits aimants.
Trois ans plus tard,
le physicien allemand Werner Karl Heisenberg
(1901-1976), J'un des pères de la théorie quan
tique, constata que Je ferromagnétisme est produit
par le mouvement des électrons entre les atomes.
Puis, Je physicien américain John H.
Van Vleck
(189 9--1980) constitua la théorie quantique com
plète du diamagnétisme (voir plus loin) et du
paramagnétisme, en 1932.
Enfin, Je physicien fran
çais Louis Néel (né en 1904), reprenant les tra
vaux de Pierre Weiss, découvrit les phénomènes
du ferrimagnétisme (voir plus loin) et de J'antifer
romagnétisme au début des années 1930.
L'aimantation
Une substance en fer ou en acier placée dans un
champ magnétique devient elle-même un
aimant.
Ce phénomène, appelé aimantation, n'a
été expliqué qu'au xx< siècle.
Dans une substan
ce, les atomes portent des charges électriques en
mouvement, les électrons, qui constituent donc
de petits aimants; les atomes sont ainsi caractéri
sés par des moments magnétiques.
Les boucles
de courant dues au mouvement des électrons
autour du noyau atomique sont orientées de
façon aléatoire, de sorte que, globalement, Je
matériau ne présente pas de propriétés magné
tiques.
Lorsque Je corps est placé dans un champ
magnétique suffisamment grand, la plupart des
boucles de courant (aimants) tendent à prendre
une orientation préférentielle, créant ainsi, à
J'échelle macroscopique, un champ magnétique:
le matériau est alors aimanté.
Les matériaux fer
reux qui exercent une attraction sur les corps en L'intensité .1 du
champ est a maximale aux
extrémités des
aimants, c'est-à-dire
aux pôles.
C'est pourquoi
les objets métalliques
sont attirés par
les pôles de l'aimant
et non par l'ensemble
de la barre aimantée.
La boussole �
fonctionne selon
un principe
d'aimantation:
une aiguille aimantée,
fixée sur un axe
pivotant librement,
se dirige naturellement
vetS les pôles
magnétiques
de la Terre.
Les chinois l'avait
découvert dès
le xf siècle.
(Ici, une boussole
du xvtf siècle).
fer sont appelés aimants permanents, même s'ils
ne conservent leurs propriétés magnétiques que
pendant un temps plus ou moins long.
Un aimant
permanent sous forme de barreau subit une
force due à J'attraction magnétique terrestre, qui
oriente une extrémité de J'aimant dans la direc
tion nord, et J'autre extrémité vers le sud.
La pre
mière extrémité est appelée pôle sud, la seconde
est Je pôle nord de J'aimant.
Le champ magnétique
Le champ magnétique est une grandeur vecto
rielle qui représente J'influence magnétique d'un
aimant ou de courants électriques sur leur envi
ronnement.
Il est caractérisé par un vecteur, noté B,
dont la norme s'exprime en teslas, de symbole T.
Par exemple, le champ magnétique du cœur
humain est de 10·10 T, intensité très faible.
Le
champ magnétique peut être représenté par ce
que l'on appelle des lignes de champ, courbes
orientées qui sont telles que Je vecteur champ
magnétique leur est tangen t en tout point.
L'orientation des lignes de champ, du pôle nord
au pôle sud de l'aimant, indique Je sens du
champ.
Les lignes de champ ne se coupent
jamais; plus elles sont serrées, plus le champ
magnétique correspondant est intense.
On déter
mine facilement l'allure des lignes de champ
d'un aimant en plaçant à proximité de ce dernier
de la limaille de fer.
En effet, cette dernière
s'aimante et se place le long des lignes de
champ.
On peut également se servir d'une bous
sole, petit aimant qui tend à s'orienter selon les
lignes de champ.
Il suffit de disposer la boussole
au voisinage de l'aimant et de noter la direction
que prend la boussole; on en déduit alors la
structure des lignes de champ.
Une particule chargée, de charge q, se dépla
çant à une vitesse udans un champ magnétique
Best soumise à J'action de la force magnétique
qui s'exprime de la façon suivante:
r=q.
vA H
La force magnétique est donc perpendiculaire à
la direction du mouvement de la particule et à
celle du champ.
Un élément de circuit électrique de longueur
dl, parcouru par un courant d'intensité 1 et placé
dans un champ magnétique Best soumis à une
force, dite force de Laplace, donnée par:
r=I.
m" H
Le magnétisme terrestre
Vers J'an 1600, William Gilbert, Je premier médecin
de la reine Élisabeth l'" d'Angleterre, montra que la
Terre se comporte comme un énorme aimant, ce
qui explique pourquoi l'aiguille d'une boussole.
»
↓↓↓ APERÇU DU DOCUMENT ↓↓↓
Liens utiles
- Le magnétisme (Sciences & Techniques)
- Ideology and Rationality in the History of the Life Sciences
- Descartes, Discours de la méthode. Pour bien conduire sa raison, et chercher la vérité dans les sciences, 1ère partie (GF, p. 75-76)
- Valeur pour les sciences sociales
- Sciences Éléments de corrigé : Étudier les muscles et le mouvement Prise de