Les champs magnétiques fascinent les scientifiques et les profanes depuis des siècles. Depuis les premières observations de la pierre de lodestone attirant les objets en fer jusqu'aux dernières avancées en matière de matériaux et de technologies magnétiques, l'étude des champs magnétiques a permis de mieux comprendre les lois fondamentales de la nature et de mettre au point d'innombrables commodités modernes.
Cet article vous fera découvrir la science des champs magnétiques, depuis leurs principes fondamentaux jusqu'à la recherche de pointe qui repousse les frontières de ce domaine passionnant. Nous explorerons les bases du magnétisme, les propriétés des matériaux magnétiques et les différentes façons dont les champs magnétiques sont générés et exploités pour des applications pratiques. Nous nous pencherons également sur les domaines plus exotiques des phénomènes magnétiques, tels que la supraconductivité, le magnétisme quantique et la recherche de nouveaux matériaux aux propriétés magnétiques extraordinaires.
Les bases du magnétisme
Le magnétisme est une propriété fondamentale de la matière qui résulte du mouvement des charges électriques. Les exemples les plus familiers de magnétisme sont l'attraction entre les pôles opposés des aimants et la répulsion entre les pôles semblables. Les aimants sont des objets qui ont un moment magnétique net, ce qui signifie que les moments magnétiques des atomes ou molécules qui les composent sont alignés dans une direction particulière.
Le moment magnétique d'un aimant est une quantité vectorielle, avec une magnitude et une direction. La direction d'un moment magnétique est généralement spécifiée par son vecteur de moment magnétique, qui pointe du pôle sud vers le pôle nord de l'aimant. L'amplitude du moment magnétique est proportionnelle à l'intensité du champ magnétique de l'aimant.
Le champ magnétique est un champ de force invisible qui entoure les objets et les matériaux magnétiques. Il est responsable des forces d'attraction et de répulsion subies par d'autres aimants ou matériaux ferromagnétiques à proximité. La direction des lignes du champ magnétique peut être visualisée à l'aide de la règle de la main droite : si vous enroulez vos doigts autour de l'aimant dans la direction de son moment magnétique, votre pouce pointera dans la direction des lignes du champ.
L'équation du champ magnétique
Le champ magnétique généré par un aimant ou un fil porteur de courant peut être décrit mathématiquement à l'aide de la loi de Biot-Savart, qui relie l'intensité du champ magnétique en un point de l'espace à la densité de courant et à la distance de la source. La loi de Biot-Savart peut être exprimée comme suit :
B = μ0/4π \* ∫ Idl × r/r^3
Où ?
* B est l'intensité du champ magnétique en un point situé dans la direction du vecteur unitaire r
* μ0 est la perméabilité du vide (environ 4π × 10^-7 H/m).
* I est la densité de courant (courant par unité de surface)
* dl est l'élément infinitésimal du fil conducteur de courant
* r est le vecteur de position entre le point d'intérêt et l'élément infinitésimal du fil.
La loi de Biot-Savart est une équation fondamentale de l'électromagnétisme, qui permet de comprendre le comportement des champs magnétiques dans diverses situations.
Matériaux magnétiques
Les matériaux magnétiques sont des substances qui peuvent être magnétisées, c'est-à-dire qu'elles peuvent se magnétiser en présence d'un champ magnétique externe et conserver un certain degré de magnétisation lorsque le champ externe est supprimé. Le type de matériau magnétique le plus courant est le matériau ferromagnétique, qui comprend des métaux tels que le fer, le nickel et le cobalt.
Le ferromagnétisme résulte de l'alignement des moments magnétiques des atomes individuels dans le matériau. Dans les matériaux ferromagnétiques, les moments magnétiques des atomes voisins ont tendance à s'aligner dans la même direction, créant des régions de magnétisation uniforme appelées domaines. Lorsqu'un champ magnétique externe est appliqué, les domaines se réalignent afin de minimiser l'énergie nécessaire au maintien du champ magnétique, ce qui a pour effet de magnétiser le matériau.
Hystérésis magnétique
Lorsqu'un matériau ferromagnétique est soumis à un champ magnétique externe variable, son aimantation suit une courbe caractéristique appelée boucle d'hystérésis. La boucle d'hystérésis est caractérisée par deux paramètres importants : l'aimantation à saturation (Ms) et l'aimantation rémanente (Mr).
L'aimantation à saturation est l'aimantation maximale qu'un matériau peut atteindre en présence d'un champ magnétique externe puissant. L'aimantation rémanente est l'aimantation qui reste dans le matériau après la suppression du champ externe. La différence entre Ms et Mr est connue sous le nom de perte d'hystérésis magnétique, qui est proportionnelle à la surface délimitée par la boucle d'hystérésis.
Autres types de magnétisme
Si le ferromagnétisme est la forme de magnétisme la plus courante et la plus familière, il existe d'autres types de magnétisme qui résultent de mécanismes différents. En voici quelques-uns :
* Paramagnétisme : Le paramagnétisme est une forme faible de magnétisme manifestée par les matériaux qui ont des électrons non appariés dans leurs orbitales atomiques ou moléculaires. En présence d'un champ magnétique externe, les électrons non appariés s'alignent sur le champ, ce qui entraîne une faible magnétisation du matériau. Les matériaux paramagnétiques courants sont l'aluminium, l'oxygène et certains complexes de métaux de transition.
* Le diamagnétisme : Le diamagnétisme est une forme de magnétisme encore plus faible qui est présente dans tous les matériaux dans une certaine mesure. Il résulte du mouvement des électrons dans leurs orbites atomiques en présence d'un champ magnétique externe. Le moment magnétique qui en résulte s'oppose au champ appliqué, ce qui fait que le matériau est faiblement repoussé par le champ. Les matériaux diamagnétiques courants sont le cuivre, l'or et la plupart des non-métaux.
* Antiferromagnétisme : L'antiferromagnétisme est un type de magnétisme qui se produit dans les matériaux où les moments magnétiques adjacents s'alignent dans des directions opposées, ce qui donne un moment magnétique net de zéro. Les matériaux antiferromagnétiques ne sont généralement pas ordonnés magnétiquement à des températures élevées, mais peuvent subir une transition de phase vers un état ordonné à des températures plus basses. L'oxyde de manganèse (MnO) et l'oxyde de chrome(III) (Cr2O3) sont des exemples de matériaux antiferromagnétiques.
Générer des champs magnétiques
Les champs magnétiques peuvent être générés de différentes manières, en fonction de l'application et de l'intensité et de la direction du champ souhaitées. Parmi les méthodes courantes de génération de champs magnétiques, on peut citer
1. Aimants permanents
Les aimants permanents sont des matériaux qui possèdent un moment magnétique net en raison de leurs propriétés magnétiques intrinsèques. Ils peuvent être fabriqués à partir de matériaux ferromagnétiques tels que le néodyme, le samarium ou la ferrite, qui sont magnétisés au cours du processus de fabrication et conservent leur magnétisation indéfiniment. Les aimants permanents sont utilisés dans un large éventail d'applications, des simples aimants utilisés pour maintenir des notes sur un réfrigérateur aux applications plus sophistiquées telles que les moteurs électriques, les générateurs et les haut-parleurs.
2. Électro-aimants
Les électro-aimants sont des dispositifs qui utilisent un courant électrique pour générer un champ magnétique. Ils se composent d'une bobine de fil (le solénoïde) enroulée autour d'un noyau ferromagnétique, qui peut être fabriqué à partir de matériaux tels que le fer ou l'acier. Lorsqu'un courant électrique traverse le solénoïde, un champ magnétique est généré autour de la bobine. Le sens du champ peut être inversé en inversant le sens du courant.
Les électro-aimants sont largement utilisés dans les applications nécessitant des champs magnétiques réglables ou commutables, notamment dans les moteurs électriques, les solénoïdes, les relais et les systèmes de lévitation magnétique (Maglev).
3. Aimants supraconducteurs
Les aimants supraconducteurs sont un type spécial d'électroaimant qui utilise les propriétés uniques des supraconducteurs pour générer des champs magnétiques extrêmement puissants. Les supraconducteurs sont des matériaux qui présentent une résistance électrique nulle et un diamagnétisme parfait en dessous d'une température critique appelée température de transition supraconductrice (Tc). Lorsqu'un courant passe à travers une boucle ou une bobine supraconductrice (un solénoïde supraconducteur), le champ magnétique généré par le courant est expulsé de l'intérieur de la boucle en raison de l'effet diamagnétique. Ce phénomène, connu sous le nom d'effet Meissner, entraîne la création d'un champ magnétique très puissant autour de la bobine supraconductrice.
Les aimants supraconducteurs sont utilisés dans diverses applications nécessitant des champs magnétiques extrêmement puissants et stables, notamment dans les accélérateurs de particules tels que le Grand collisionneur de hadrons (LHC), les appareils d'imagerie par résonance magnétique (IRM) et la recherche sur l'énergie de fusion.
Applications des champs magnétiques
Les champs magnétiques ont un large éventail d'applications dans différents domaines, de l'utilisation quotidienne à la recherche de pointe. Parmi les applications les plus courantes, on peut citer
1. Moteurs et générateurs électriques
Les moteurs et générateurs électriques reposent sur l'interaction entre les champs magnétiques et les courants électriques pour convertir l'énergie mécanique en énergie électrique. Dans un moteur électrique, une bobine porteuse de courant (l'induit) subit un couple lorsqu'elle est placée dans un champ magnétique, ce qui la fait tourner. Cette rotation est ensuite utilisée pour entraîner des charges mécaniques telles que des ventilateurs, des pompes ou des machines.
Dans un générateur, le processus est inversé. Un aimant rotatif (le rotor) est placé dans une bobine stationnaire (le stator), ce qui induit un courant alternatif dans la bobine lorsque le champ magnétique traverse les conducteurs. Ce courant induit peut alors être exploité pour produire de l'électricité.
2. Supports de stockage magnétiques
Les supports de stockage magnétiques, tels que les disques durs, les disquettes et les bandes magnétiques, reposent sur la capacité des matériaux magnétiques à conserver les informations magnétiques. Les données sont stockées sur ces supports en magnétisant ou en démagnétisant de minuscules régions (bits) à la surface d'un matériau ferromagnétique. L'aimantation de chaque bit peut être détectée en faisant passer un petit courant dans une tête de lecture située à proximité du support, qui subit une force due au champ magnétique des bits.
Si les supports de stockage magnétiques ont été largement utilisés pendant des décennies, ils sont progressivement remplacés par des technologies de stockage à l'état solide telles que la mémoire flash et les disques durs à l'état solide (SSD) dans de nombreuses applications, en raison de leurs taux de transfert de données plus élevés, de leur faible consommation d'énergie et de leur résistance aux chocs mécaniques.
3. Lévitation magnétique
La lévitation magnétique, ou Maglev, est une technologie qui utilise des champs magnétiques pour suspendre et propulser des objets sans contact mécanique direct. Les systèmes Maglev utilisent généralement des aimants supraconducteurs pour générer des champs magnétiques puissants et stables.
La technologie Maglev a été proposée pour diverses applications, notamment les systèmes de transport à grande vitesse, où elle offre la possibilité de réduire les frottements et l'usure, ce qui se traduit par des vitesses plus élevées, une consommation d'énergie plus faible et un fonctionnement plus silencieux par rapport aux trains à roues traditionnels. Toutefois, le coût élevé du développement et de l'entretien de l'infrastructure nécessaire a limité l'adoption à grande échelle de la technologie Maglev pour le transport commercial.
4. Matériaux magnétiques en médecine
Les matériaux et technologies magnétiques jouent un rôle important dans diverses applications médicales, notamment l'imagerie diagnostique, les dispositifs thérapeutiques et l'administration de médicaments.
* Imagerie par résonance magnétique (IRM) : l'IRM est une technique d'imagerie médicale non invasive qui utilise de puissants aimants supraconducteurs pour générer un champ magnétique puissant qui aligne les protons dans les tissus du corps. Des impulsions de radiofréquence sont ensuite utilisées pour perturber les protons alignés et leur faire émettre des signaux qui peuvent être détectés et traités pour créer des images détaillées des organes et des tissus internes.
* Nanoparticules magnétiques : Les nanoparticules magnétiques (MNP) sont des particules de taille nanométrique constituées de matériaux ferromagnétiques ou paramagnétiques. Elles ont été étudiées pour diverses applications biomédicales, notamment l'administration ciblée de médicaments, l'hyperthermie magnétique pour le traitement du cancer et les agents de contraste pour l'IRM.
* Prothèses magnétiques : Les matériaux magnétiques sont également utilisés dans le développement de prothèses et d'autres dispositifs médicaux, où ils peuvent être utilisés pour fournir une force et un couple contrôlés pour le mouvement et la manipulation.
Frontières de la recherche magnétique
Malgré notre compréhension approfondie des champs magnétiques et de leurs applications, il reste encore beaucoup de questions ouvertes et de domaines de recherche active dans ce domaine. Parmi les frontières les plus passionnantes de la recherche magnétique, on peut citer
1. Supraconductivité à haute température
La supraconductivité est le phénomène par lequel certains matériaux présentent une résistance électrique nulle et un diamagnétisme parfait lorsqu'ils sont refroidis en dessous d'une température critique. Alors que les supraconducteurs traditionnels nécessitent des températures extrêmement basses (proches du zéro absolu) pour atteindre la supraconductivité, la découverte des supraconducteurs à haute température dans les années 1980 a ouvert de nouvelles possibilités d'applications pratiques.
Les supraconducteurs à haute température (SHT) sont des matériaux qui peuvent présenter une supraconductivité à des températures supérieures au point d'ébullition de l'azote liquide (77 K ou -196°C), ce qui les rend plus faciles à refroidir et à maintenir dans un état supraconducteur. Toutefois, le mécanisme de la supraconductivité à haute température reste mal compris et de nombreuses recherches sont axées sur le développement de nouveaux matériaux HTS présentant des températures critiques encore plus élevées et des propriétés améliorées.
2. Spintronique
La spintronique, ou électronique de spin, est un domaine émergent qui vise à exploiter non seulement la charge des électrons mais aussi leur propriété intrinsèque de spin pour développer des dispositifs électroniques et des technologies de stockage de données de nouvelle génération. Les dispositifs spintroniques utilisent l'interaction spin-magnétique pour manipuler et contrôler les états de spin des électrons, qui peuvent être utilisés pour coder et traiter des informations.
Parmi les dispositifs et phénomènes spintroniques prometteurs figurent les transistors de spin, les valves de spin, la mémoire à couple de spin et les portes logiques spintroniques. Les dispositifs spintroniques ont le potentiel d'atteindre des densités de stockage de données plus élevées, des taux de transfert de données plus rapides et une consommation d'énergie plus faible que les dispositifs conventionnels à base de semi-conducteurs.
3. Magnétisme quantique
Le magnétisme quantique est un domaine en pleine évolution qui étudie le comportement des matériaux et des systèmes magnétiques au niveau quantique. Ce domaine de recherche combine des concepts issus de la physique de la matière condensée, de la mécanique quantique et de la science des matériaux pour comprendre et manipuler les propriétés uniques des matériaux magnétiques à l'échelle atomique et subatomique.
L'un des phénomènes les plus fascinants du magnétisme quantique est la transition de phase quantique, qui se produit lorsqu'un matériau magnétique subit un changement soudain de ses propriétés magnétiques à la suite de petites modifications de paramètres externes tels que la température, la pression ou le champ magnétique. La compréhension et le contrôle de ces transitions de phase quantiques pourraient conduire au développement de nouveaux matériaux et dispositifs dotés de propriétés magnétiques inédites.
4. Nouveaux matériaux magnétiques
La recherche de nouveaux matériaux magnétiques dotés de propriétés exceptionnelles est un domaine de recherche permanent dans le domaine du magnétisme. Parmi les propriétés recherchées dans ces matériaux figurent une magnétisation élevée, une coercivité élevée, des températures de Curie élevées et une forte anisotropie magnétocristalline. Ces propriétés peuvent améliorer les performances des applications existantes et permettre le développement de nouvelles technologies.
Parmi les classes prometteuses de matériaux magnétiques à l'étude, on peut citer
* Aimants permanents sans terres rares : Les terres rares comme le néodyme et le samarium sont des composants essentiels de nombreux aimants permanents de haute performance, mais leur disponibilité limitée et leur coût élevé ont motivé les chercheurs à rechercher des matériaux magnétiques alternatifs exempts de terres rares.