Qu’est-ce que le magnétisme ? Définition, exemples, faits

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Le magnétisme est défini comme un phénomène attractif et répulsif produit par une charge électrique en mouvement. La région affectée autour d’une charge mobile est constituée d’un champ électrique et d’un champ magnétique. L’exemple le plus connu de magnétisme est celui d’un aimant en barre, qui est attiré par un champ magnétique et peut attirer ou repousser d’autres aimants.

Histoire

Les peuples anciens utilisaient des pierres d’habitation, des aimants naturels faits de magnétite, un minéral de fer. En fait, le mot « aimant » vient du grec magnetis lithos, qui signifie « pierre de Magnésie » ou pierre d’habitation. Thalès de Miletus a étudié les propriétés du magnétisme vers 625 avant J.-C. à 545 avant J.-C. Le chirurgien indien Sushruta a utilisé les aimants à des fins chirurgicales à peu près à la même époque. Les Chinois ont écrit sur le magnétisme au quatrième siècle avant Jésus-Christ et ont décrit l’utilisation d’une pierre de taille pour attirer une aiguille au premier siècle. Cependant, la boussole n’est pas utilisée pour la navigation avant le 11e siècle en Chine et 1187 en Europe.

Si les aimants sont connus, leur fonction n’est expliquée qu’en 1819, lorsque Hans Christian Ørsted découvre accidentellement des champs magnétiques autour de fils sous tension. La relation entre l’électricité et le magnétisme a été décrite par James Clerk Maxwell en 1873 et incorporée dans la théorie de la relativité spéciale d’Einstein en 1905.

Les causes du magnétisme

Alors, quelle est cette force invisible ? Le magnétisme est causé par la force électromagnétique, qui est l’une des quatre forces fondamentales de la nature. Toute charge électrique en mouvement (courant électrique) génère un champ magnétique perpendiculaire à celle-ci.

En plus du courant qui circule dans un fil, le magnétisme est produit par les moments magnétiques de spin de particules élémentaires, comme les électrons. Ainsi, toute matière est magnétique à un certain degré parce que les électrons en orbite autour d’un noyau atomique produisent un champ magnétique. En présence d’un champ électrique, les atomes et les molécules forment des dipôles électriques, les noyaux chargés positivement se déplaçant un tout petit peu dans la direction du champ et les électrons chargés négativement se déplaçant dans l’autre sens.

Matériaux magnétiques

Tous les matériaux présentent un magnétisme, mais le comportement magnétique dépend de la configuration électronique des atomes et de la température. La configuration des électrons peut faire en sorte que les moments magnétiques s’annulent (rendant le matériau moins magnétique) ou s’alignent (le rendant plus magnétique). L’augmentation de la température augmente le mouvement thermique aléatoire, ce qui rend l’alignement des électrons plus difficile et diminue généralement la force d’un aimant.

Le magnétisme peut être classé en fonction de sa cause et de son comportement. Les principaux types de magnétisme sont les suivants :

Diamagnétisme: Tous les matériaux présentent un diamagnétisme, qui est la tendance à être repoussé par un champ magnétique. Cependant, d’autres types de magnétisme peuvent être plus forts que le diamagnétisme, c’est pourquoi on ne l’observe que dans les matériaux qui ne contiennent pas d’électrons non appariés. Lorsque des paires d’électrons sont présentes, leurs moments magnétiques de « spin » s’annulent. Dans un champ magnétique, les matériaux diamagnétiques sont faiblement magnétisés dans la direction opposée au champ appliqué. L’or, le quartz, l’eau, le cuivre et l’air sont des exemples de matériaux diamagnétiques.

Paramagnétisme: Dans un matériau paramagnétique, il y a des électrons non appariés. Les électrons non appariés sont libres d’aligner leurs moments magnétiques. Dans un champ magnétique, les moments magnétiques s’alignent et sont magnétisés dans la direction du champ appliqué, le renforçant ainsi. Parmi les matériaux paramagnétiques, on trouve le magnésium, le molybdène, le lithium et le tantale.

Ferromagnétisme: Les matériaux ferromagnétiques peuvent former des aimants permanents et sont attirés par les aimants. Un ferromagnétique contient des électrons non appariés, et les moments magnétiques des électrons ont tendance à rester alignés même lorsqu’ils sont éloignés d’un champ magnétique. Parmi les matériaux ferromagnétiques, on trouve le fer, le cobalt, le nickel, les alliages de ces métaux, certains alliages de terres rares et certains alliages de manganèse.

Antiferromagnétisme: Contrairement aux ferromagnétiques, les moments magnétiques intrinsèques des électrons de valence d’un antiferromagnétique pointent dans des directions opposées (antiparallèles). Il n’en résulte aucun moment magnétique net ni aucun champ magnétique. L’antiferromagnétisme se manifeste dans les composés de métaux de transition, tels que l’hématite, le fer-manganèse et l’oxyde de nickel.

Ferrimagnétisme: Comme les ferromagnétiques, les ferrimagnétiques conservent leur magnétisation lorsqu’ils sont retirés d’un champ magnétique, mais les paires d’électrons voisins tournent dans des directions opposées. La disposition en treillis du matériau rend le moment magnétique pointant dans une direction plus fort que celui pointant dans l’autre direction. Le ferrimagnétisme est présent dans la magnétite et les autres ferrites. Comme les ferromagnétiques, les ferrimagnétiques sont attirés par les aimants.

Il existe également d’autres types de magnétisme, notamment le superparamagnétisme, le métamagnétisme et le spin glass.

Propriétés des aimants

Les aimants se forment lorsque des matériaux ferromagnétiques ou ferrimagnétiques sont exposés à un champ électromagnétique. Les aimants présentent certaines caractéristiques :

• Un champ magnétique entoure un aimant.
• Les aimants attirent les matériaux ferromagnétiques et ferrimagnétiques et peuvent les transformer en aimants.
• Un aimant a deux pôles qui se repoussent comme des pôles et attirent des pôles opposés. Le pôle nord est repoussé par les pôles nord des autres aimants et attiré par les pôles sud. Le pôle sud est repoussé par le pôle sud d’un autre aimant mais est attiré par son pôle nord.
• Les aimants existent toujours sous forme de dipôles. En d’autres termes, on ne peut pas couper un aimant en deux pour séparer le nord et le sud. En coupant un aimant, on obtient deux aimants plus petits, qui ont chacun un pôle nord et un pôle sud.
• Le pôle nord d’un aimant est attiré par le pôle magnétique nord de la Terre, tandis que le pôle sud d’un aimant est attiré par le pôle magnétique sud de la Terre. Cela peut être un peu déroutant si vous vous arrêtez pour considérer les pôles magnétiques d’autres planètes. Pour qu’une boussole fonctionne, le pôle nord d’une planète est essentiellement le pôle sud si le monde était un aimant géant !

Le magnétisme dans les organismes vivants

Certains organismes vivants détectent et utilisent les champs magnétiques. La capacité à détecter un champ magnétique est appelée magnétoception. Les bactéries, les mollusques, les arthropodes et les oiseaux sont des exemples de créatures capables de magnétoception. L’œil humain contient une protéine cryptochrome qui peut permettre un certain degré de magnétoception chez l’homme.

De nombreuses créatures utilisent le magnétisme, qui est un processus connu sous le nom de biomagnétisme. Par exemple, les chitons sont des mollusques qui utilisent la magnétite pour durcir leurs dents. Les humains produisent également de la magnétite dans les tissus, ce qui peut affecter les fonctions du système immunitaire et nerveux.

Les clés du magnétisme

• Le magnétisme résulte de la force électromagnétique d’une charge électrique en mouvement.
• Un aimant a un champ magnétique invisible qui l’entoure et deux extrémités appelées pôles. Le pôle nord pointe vers le champ magnétique nord de la Terre. Le pôle sud est orienté vers le champ magnétique sud de la Terre.
• Le pôle nord d’un aimant est attiré par le pôle sud de tout autre aimant et repoussé par le pôle nord d’un autre aimant.
• En coupant un aimant, on forme deux nouveaux aimants, chacun avec un pôle nord et un pôle sud.