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Accueil du site > 02 - Livre Deux : SCIENCES > Atome : lois de la Physique ou rétroaction de la matière/lumière et du vide (...) > Qu’est-ce que le magnétisme ?

Qu’est-ce que le magnétisme ?

samedi 11 mars 2017, par Robert Paris

Champ magnétique d’un aimant

Champ magnétique d’un dipôle

Champ magnétique d’une spire de courant

Spins désordonnés et spins orientés

Spin et autres constantes des particules élémentaires

Qu’est-ce que le magnétisme ?

Le magnétisme a d’abord été une étude de certains matériaux particuliers agissant comme des aimants avec attraction ou répulsion suivant les pôles et attraction également de corps comme le fer. On s’est ensuite aperçus que l’on pouvait créer une aimantation artificielle de la matière et aussi qu’on pouvait fabriquer des aimants avec des boucles de courant électrique. Enfin, on a compris que magnétisme et électricité étaient imbriqués au sein des forces électromagnétiques de la matière comme de la lumière.

Le magnétisme reste un phénomène étonnant même s’il a été très bien étudié par la Physique. Il est aussi resté un domaine de discussion classique des « sciences occultes », avec les magnétiseurs notamment. Inutile de préciser qu’ici, on ne défend pas et on ne discute pas dans ce texte le point de vue des rebouteux et autres « énergétiseurs »…

Ce phénomène est relié à la matière, à la lumière et même au vide. Il n’est nullement un phénomène spécifique à la conscience humaine ou animale.

Le magnétisme indique le fait qu’une direction de l’espace est privilégiée, avec un sens et une rotation dans un sens précis autour de cet axe orienté. Le magnétisme signifie également que tout l’espace est marqué par des « lignes de champ ». Cela signifie que le magnétisme est inévitablement marqué dans le vide qui porte l’action de ce magnétisme. Il y a donc une propriété du vide par rapport au magnétisme. La constante magnétique, également nommée perméabilité du vide ou encore perméabilité magnétique du vide, est une constante physique. Elle est symbolisée par μ0. Dans le système SI, sa valeur est exactement : μ0 = 4π×10-7 kg⋅m⋅A-2⋅s-2, ou encore 4π×10-7 T⋅m/A T étant le tesla, unité d’induction électromagnétique soit donc : μ0 = 12,566 370 614,,,×10-7 kg⋅m⋅A-2⋅s-2, ou encore 12,566 370 614,,,×10-7 T⋅m/A La constante magnétique est souvent exprimée en henry par mètre : μ0 = 4π×10-7 H⋅m-1. La valeur donnée est exacte par définition de l’ampère.

Quand on parle de magnétisme, on pense souvent à des phénomènes se produisant au niveau macroscopique comme l’aimant ou l’effet électromagnétique du parcours d’un courant électrique. On pense aussi aux effets de ces deux éléments (aimant ou courant) sur l’espace qui les entoure ou champ magnétique. Mais la base du magnétisme existe dans les niveaux les plus élémentaires de la matière et du vide, dans la particule réelle et dans la particule virtuelle. Cette base est appelée le « spin » de la particule.

Toute matière, toute lumière, toute particule possède un moment magnétique. Le spin indique cette existence d’un moment magnétique. L’électron, le proton et le photon ont un spin. . Voir ici ce qu’est le spin

On se souvient que le magnétisme a été relié à l’électricité par Maxwell pour donner l’électromagnétisme.

Et aussi que l’électromagnétisme est un champ porté par le vide, c’est-à-dire par des particules dites virtuelles voir ici

Le fondement du magnétisme dans le vide quantique est le fait que celui-ci repose sur des couples particule/antiparticule qui polarisent le vide. voir ici ce qu’est le vide quantique

Le vide est la base du magnétisme : « L’espace vide, quel qu’il soit, contrôle la dynamique des corps matériels, car, quand on considère l’électromagnétisme, il semble que la matière, et les relations fonctionnelles entre particules de matière, ne sont pas capables d’accomplir seuls le travail. Bien sûr, l’espace lui-même pourrait être conçu comme un principe d’organisation appliqué à la matière. (...) Le vide, tel qu’il apparaît ainsi, est riche : suivant les cas, un bipole ferromagnétique, un milieu diélectrique, un supraconducteur, et une phase thermodynamique. » écrit S. Saunders dans « The philosophy of vacuum ».

Extrait de la conférence pour l’Université de tous les savoirs par Michel Piechuch :

« Les deux concepts centraux dans la physique du magnétisme sont les concepts de champ et de moment magnétique. L’objet magnétique le plus simple est un aimant permanent. Cet aimant exerce une force sur un autre aimant ou sur des matériaux magnétiques comme le fer. Si on observe deux aimants en train d’interagir, ils s’attirent ou se repoussent, il y a une action à distance, c’est le champ magnétique produit par l’un des aimants qui interagit avec l’autre aimant. Si l’un des des deux aimants est libre, il tourne s’il est dans le « mauvais sens ». On dit que l’aimant a deux pôles. Deux pôles identiques se repoussent, deux pôles différents s’attirent. Pour préciser cette notion des pôles, on définit le moment magnétique, qui est un vecteur allant du pôle sud au pôle nord. Un moment possède donc un moment magnétique et ce moment produit un champ magnétique. Le plus simple des circuits électriques est une boucle de courant. Elle est équivalente à un aimant permanent. Le moment magnétique de la boucle est un vecteur perpendiculaire au plan de la boucle et dont l’intensité est donnée par le produit de l’intensité du courant électrique passant dans la boucle par sa surface. Le champ magnétique produit par la boucle est alors donné par les mêmes formules que le champ électrique produit par un dipôle électrique (deux charges de signe contraire). La force exercée par un champ magnétique sur un moment magnétique (par un aimant sur un autre aimant par exemple) repose sur un principe très simple : elle est fondée sur la recherche de l’énergie minimum. »

Extrait de « La physique de la matière condensée en dimension inférieure à trois » de David Thouless :

« La théorie des matériaux magnétiques est l’un des premiers succès de la théorie quantique des solides. Les matériaux ferromagnétiques, comme le fer, possèdent un champ magéntique permanent ; on dit qu’ils sont aimantés. La présence, dans les matériaux réels, de domaines élémentaires qui possèdent chacun leur propre aimantation rend la situation un peu plus compliquée. Lorsque ces domaines sont alignés de sorte que leurs aimantations s’annulent mutuellement, on obtient un état d’énergie minimale, et l’aimantation totale du matériau est très faible. Dans un aimant permanent, les domaines sont contraints à s’aligner parallèlement les uns aux autres… Quand la température monte, l’aimantation (d’un petit domaine) décroît, jusqu’à s’annuler tout à fait quand la température atteint la « température critique » - qui est de 1.050°K pour le fer. Mais on trouve encore des manifestations du ferromagétisme juste au-dessus de cette température. En effet, quand on applique un champ à un matériau ferromagnétique, on induit une aimantation. Le rapport entre l’aimantation induite et le champ magnétique appliqué s’appelle la « susceptibilité magnétique ». Juste au-dessus de la température critique, la susceptibilité magnétique est très grande et, de fait, elle devient infinie quand on s’approche de la température critique, par valeurs supérieures. (…) Dans les isolants magnétiques, on trouve des atomes (en général des éléments de transition » qui se trouvent au centre du tableau périodique des éléments) qui possèdent un moment magnétique propre. Il leur est associé un moment angulaire appelé « spin », qui est en général beaucoup plus grand que le spin d’un électron. L’interaction magnétique entre ces moments propres est très faible et ne devient importante qu’à des températures proches de la température d’ébullition de l’Hélium liquide (4°K). La théorie quantique prédit une interaction bien plus forte entre les moments portés par les électrons de l’atome. Dans la plupart des cas, cette interaction favorise une alignement des spins voisins en directions opposées ; dans certains cas, l’interaction favorise un alignement dans la même direction. Cette interaction porte le nom d’interaction « d’échange » à cause du rôle d’intermédiaire joué par les électrons. Lorsque l’interaction favorise un alignement des spins voisins dans la même direction, un petit domaine se retrouve dans la configuration d’énergie minimale lorsque tous les spins qu’il contient pointent dans la même direction. Le moment magnétique total peut alors être très grand. Cette aimantation engendre un champ magnétique important qui tend à démagnétiser le matériau. C’est pourquoi seuls des petits domaines sont complètement magnétisés. Un domaine adopte la configuration d’énergie minimale aux très basses températures. Au fur et à mesure qu’on élève la température, il se produit des fluctuations autour de cette configuration, et tous les spins ne sont plus orientés dans la même direction. (…) On s’attend à trouver des matériaux avec une configuration de spins où chaque spin est orienté en sens opposé à ses voisins. On en trouve en effet. Il s’agit des matériaux « antiferromagnétiques ». »

Petite chronologie des découvertes sur le magnétisme

- 584 avant J.-C. Thalès de Milet découvre le magnétisme dans une pierre d’aimant, la magnétite

La première référence littéraire chinoise citant le « magnétisme » se trouve dans un ouvrage du IVe siècle av. J.-C. intitulé Livre du maître de la vallée du diable : « la magnétite fait venir le fer à lui, ou l’attire ».

La première mention de « l’attraction d’une aiguille par un aimant » se trouve dans un ouvrage chinois composé entre 70 et 80 ap. J.-C.

La première référence à un « instrument d’orientation » magnétique spécifique se trouve dans un livre écrit sous la dynastie des Song et daté de 1040-1044. Les Chinois utilisent la boussole de navigation fondée sur l’aimant sur leurs navires. Elle est ensuite adoptée par les Arabes et deux cents ans plus tard par les Européens.

Parution en 1600 de "De magnete" (du magnétisme) dans lequel le scientifique anglais William Gilbert présente son travail sur le magnétisme terrestre et compare la Terre à un aimant dont les pôles magnétiques coïncideraient avec les pôles géographiques.

De 1607 à 1626, Galilée développe des études sur les aimants.

En 1750, Mitchell publie le traité sur les aimants artificiels et développe les premières études d’aimantation artificielle.

En 1802, le scientifique italien Gian Domenico Romagnosi est un précurseur qui découvre qu’un courant électrique traversant un câble oriente une aiguille magnétisée perpendiculairement à lui.

En 1820, André Marie Ampère montre qu’un enroulement de fil électrique, aussi appelé solénoïde, se comporte comme un aimant droit lorsqu’il est parcouru par un courant électrique. La même année, l’expérience de Hans Christian Oersted met en évidence l’unité entre magnétisme et électricité. Michael Faraday démontre aussi que des phénomènes magnétiques peuvent engendrer un déplacement de charges électriques.

En 1822, Ampère et Babinet leur « Exposé des nouvelles découvertes sur l’électricité et le magnétisme ».

En 1829, Joseph Henry développe les électroaimants.

En 1837, Callan construit une bobine d’induction géante. En 1845, Michael Faraday découvre le diamagnétisme et le paramagnétisme. Il suggère que la lumière est un phénomène électromagnétique.

Les équations, désormais connues sous le nom d’équations de Maxwell, sont présentées la première fois à la Royal Society en 1864 et décrivent le comportement et les relations du champ électromagnétique ainsi que son interaction avec la matière. Dans son article de 1864, « A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field », Maxwell écrit : « L’accord des résultats semble montrer que la lumière et le magnétisme sont deux phénomènes de même nature et que la lumière est une perturbation électromagnétique se propageant dans l’espace suivant les lois de l’électromagnétisme. »

En 1879, Edwin Hall découvre l’effet Hall : il apparaît entre les parois latérales d’un semi-conducteur, une tension proportionnelle au champ magnétique auquel il est soumis.

En 1895, Pierre Curie démontre que le diamagnétisme est indépendant de la température et qu’au-dessus d’une certaine température (point de Curie) le ferromagnétisme se transforme en paramagnétisme.

En 1896, Zeeman prouve l’influence directe d’un champ magnétique sur le rayonnement.

15 mars 1905 : Théorie du magnétisme du physicien Paul Langevin.

Dans le cas bidimensionnel, Rudolf Peierls a pu montrer en 1936 que le modèle d’Ising possédait une transition de phase. Des arguments théoriques (dualité) dus à Kramers et Wannier ont permis de prédire en 1941 la température à laquelle se produit cette transition de phase. La solution du modèle, en champ nul, au sens du calcul exact de l’énergie libre est due à Lars Onsager en 1944.

Modèle d’Ising du magnétisme

Conférences :

Les matériaux magnétiques : de la boussole à l’électronique de spin

Le champ magnétique créé par un fil rectiligne

Domaines magnétiques et pureté du fer

Les capteurs magnétiques

Histoire du magnétisme

Les objets magnétiques dans notre vie quotidienne

Electronique de spin

Détecteur de champ magnétique

Le magnétisme terrestre

Le paléomagnétisme

La spintronique

6 Messages de forum

  • Qu’est-ce que le magnétisme ? 27 mars 12:47, par Will

    Vous dites que le magnétisme ne peut s’interpréter que de manière quantique. Pourtant, les équations de Maxwell avaient, en physique classique, interprété le magnétisme, non ?

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  • Qu’est-ce que le magnétisme ? 27 mars 12:47, par Robert Paris

    L’interprétation classique collait tellement mal avec l’expérience qu’Einstein écrivait dans une lettre à Mileva Maric du 10 avril 1901 : "Si seulement il n’y avait pas ce stupide magnétisme dont nous ne savons que faire !"

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  • Qu’est-ce que le magnétisme ? 28 mars 07:30, par alain

    Quelles expériences sur la lumière étaient en désaccord avec les équations de Maxwell ?

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  • Qu’est-ce que le magnétisme ? 28 mars 07:33, par Robert Paris

    C’étaient en fait toutes les expériences qui ne peuvent pas cacher la discontinuité de la lumière et de l’échange d’énergie. Cela va des expériences optiques avec les ultraviolets aux expériences avec les rayons cathodiques et à celles d’effet photoélectrique ou encore l’effet Compton, en passant par le rayonnement du corps noir...

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  • Qu’est-ce que le magnétisme ? 29 mars 12:32, par Robert Paris

    Eh oui ! C’est là que git le lièvre ! C’est qu’elles restent valables ! Elles décrivent les courants électriques et magnétiques dans le vide et, dans ce domaine, elles sont justes. Et, dans la matière, elles sont justes aussi mais ne décrivent pas en détail les processus et sont insuffisantes. Par exemple, on a démontré que si les courants étaient purement maxwelliens, à l’équilibre thermodynamique le magnétisme devrait s’annuler et il ne devrait pas exister d’aimants permanents !

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