Ferromagnétisme, phénomène physique dans lequel certains matériaux électriquement non chargés attirent fortement les autres. Deux matériaux trouvés dans la nature, lodestone (ou magnétite, un oxyde de fer, Fe3O4) et le fer, ont la capacité d’acquérir de tels pouvoirs attrayants, et ils sont souvent appelés ferromagnétiques naturels. Ils ont été découverts il y a plus de 2 000 ans et toutes les premières études scientifiques sur le magnétisme ont été menées sur ces matériaux. Aujourd’hui, les matériaux ferromagnétiques sont utilisés dans une grande variété d’appareils essentiels à la vie quotidienne—par exemple,, moteurs et générateurs électriques, transformateurs, téléphones et haut-parleurs.
Le ferromagnétisme est une sorte de magnétisme associé au fer, au cobalt, au nickel et à certains alliages ou composés contenant un ou plusieurs de ces éléments., Il est également présent dans le gadolinium et quelques autres éléments des terres rares. Contrairement à d’autres substances, les matériaux ferromagnétiques sont aimantés facilement, et dans les champs magnétiques forts, l’aimantation approche une limite définie appelée saturation. Lorsqu’un champ est appliqué, puis supprimé, l’aimantation ne retourne pas à sa valeur d’origine—ce phénomène est appelé hystérésis (qv). Lorsqu’il est chauffé à une certaine température appelée le point de Curie (qv.,), ce qui est différent pour chaque substance, les matériaux ferromagnétiques perdent leurs propriétés caractéristiques et cessent d’être magnétiques; cependant, ils redeviennent ferromagnétiques lors du refroidissement.
Le magnétisme dans les matériaux ferromagnétiques est causé par les schémas d’alignement de leurs atomes constitutifs, qui agissent comme des électroaimants élémentaires. Le ferromagnétisme s’explique par le concept selon lequel certaines espèces d’atomes possèdent un moment magnétique—c’est-à-dire qu’un tel atome lui-même est un électroaimant élémentaire produit par le mouvement des électrons autour de son noyau et par le spin de ses électrons sur leurs propres axes., Sous le point de Curie, les atomes qui se comportent comme de minuscules aimants dans les matériaux ferromagnétiques s’alignent spontanément. Ils deviennent orientés dans la même direction, de sorte que leurs champs magnétiques se renforcent mutuellement.
Une exigence d’un matériau ferromagnétique est que ses atomes ou ions magnétiques permanents moments. Le moment magnétique d’un atome provient de ses électrons, car la contribution nucléaire est négligeable. Une autre exigence pour le ferromagnétisme est une sorte de force interatomique qui maintient les moments magnétiques de nombreux atomes parallèles les uns aux autres., Sans une telle force, les atomes seraient désordonnés par l’agitation thermique, les moments des atomes voisins se neutraliseraient et le grand moment magnétique caractéristique des matériaux ferromagnétiques n’existerait pas.
Il existe de nombreuses preuves que certains atomes ou ions ont un moment magnétique permanent qui peut être représenté comme un dipôle constitué d’un pôle positif, ou nord, séparé d’un pôle négatif, ou sud., Dans les ferromagnétiques, le grand couplage entre les moments magnétiques atomiques conduit à un certain degré d’alignement dipolaire et donc à une aimantation nette.
Le physicien français Pierre-Ernest Weiss a postulé un type d’ordre magnétique à grande échelle pour les ferromagnétiques appelé structure de domaine. Selon sa théorie, un solide ferromagnétique se compose d’un grand nombre de petites régions, ou domaines, dans chacune desquelles tous les moments magnétiques atomiques ou ioniques sont alignés., Si les moments résultants de ces domaines sont orientés de manière aléatoire, l’objet dans son ensemble n’affichera pas de magnétisme, mais un champ magnétisant appliqué de l’extérieur tournera, en fonction de sa force, l’un après l’autre des domaines en alignement avec le champ externe et entraînera la croissance des domaines alignés au détriment des non alignés. Dans l’état limite appelé saturation, l’objet entier comprendra un seul domaine.
La structure du domaine peut être observée directement., Dans une technique, une solution colloïdale de petites particules magnétiques, généralement de la magnétite, est placé sur la surface d’un ferromagnet. Lorsque des pôles de surface sont présents, les particules ont tendance à se concentrer dans certaines régions pour former un motif qui est facilement observé avec un microscope optique. Des motifs de domaine ont également été observés avec la lumière polarisée, les neutrons polarisés, les faisceaux d’électrons et les rayons X.
Dans de nombreux ferromagnétiques moments dipolaires sont alignés parallèlement par le couplage fort., C’est l’arrangement magnétique trouvé pour les métaux élémentaires fer (Fe), nickel (Ni), et cobalt (Co) et pour leurs alliages entre eux et avec quelques autres éléments. Ces matériaux constituent toujours le plus grand groupe de ferromagnétiques couramment utilisés. Les autres éléments qui possèdent un ordre colinéaire sont les métaux des terres rares gadolinium (Gd), terbium (Tb) et dysprosium (Dy), mais les deux derniers ne deviennent des ferromagnétiques que bien en dessous de la température ambiante. Certains alliages, bien qu’ils ne soient composés d’aucun des éléments mentionnés ci-dessus, ont néanmoins une disposition de moment parallèle., Un exemple de ceci est l’alliage de Heusler CuAlMn3, dans lequel les atomes de manganèse (Mn) ont des moments magnétiques, bien que le métal de manganèse lui-même ne soit pas ferromagnétique.
Depuis 1950, et en particulier depuis 1960, on a découvert que plusieurs composés liés ioniquement sont ferromagnétiques. Certains de ces composés sont des isolants électriques; d’autres ont une conductivité de grandeur typique des semi-conducteurs. Ces composés comprennent les chalcogénures (composés d’oxygène, de soufre, de sélénium ou de tellure), les halogénures (composés de fluor, de chlore, de brome ou d’iode) et leurs combinaisons., Les ions ayant des moments dipolaires permanents dans ces matériaux sont le manganèse, le chrome (Cr) et l’europium (Eu); les autres sont diamagnétiques. À basse température, les métaux des terres rares holmium (Ho) et erbium (Er) ont un arrangement de moment non parallélépipédique qui donne lieu à une aimantation spontanée substantielle. Certains composés ioniques à structure cristalline spinelle possèdent également un ordre ferromagnétique. Une structure différente conduit à une aimantation spontanée dans le thulium (Tm) en dessous de 32 kelvins (K).,
Au-dessus du point de Curie (également appelé température de Curie), l’aimantation spontanée du matériau ferromagnétique disparaît et il devient paramagnétique (c’est-à-dire qu’il reste faiblement magnétique). Cela se produit parce que l’énergie thermique devient suffisante pour surmonter les forces d’alignement internes du matériau. Les températures de Curie pour certains ferromagnétiques importants sont: fer, 1 043 K; cobalt, 1 394 K; nickel, 631 K; et gadolinium, 293 K.