Lignes de champ magnétique développées par un aimant. Expérience de la limaille de fer (Windell Oskay via Flickr CC BY 2.0).
En fait, les aimants n’attirent pas que le fer, mais aussi le cobalt et le nickel, voire certains métaux de la famille des terres rares. Mais hormis ces exceptions, pourquoi les non-ferreux semblent rester indifférents au champ magnétique généré par les aimants ? Pour le comprendre, il faut pénétrer au cœur de la matière et se souvenir qu’un atome est constitué d’un noyau autour duquel gravitent des électrons.
Leur trajectoire en orbite peut être considérée comme un courant électrique qui génère un champ magnétique dit “orbital”. De plus, chaque électron possède aussi un “moment magnétique de spin”, comme s’il tournait sur lui-même.
Chaque électron est comme un petit aimant
La combinaison de ces moments orbitaux et de spin donne le moment magnétique de chaque électron. Le moment magnétique global de l’atome est la somme des moments magnétiques des électrons. Et en additionnant les moments magnétiques de tous les atomes, on obtient le moment magnétique total du corps qu’ils constituent.
Dans de nombreux éléments, comme l’eau ou les molécules organiques, les électrons s’assemblent sur la même orbitale en paires de spins opposés, ce qui annule leurs moments de spin, mais aussi leurs moments orbitaux, comme s’ils tournaient sur la même orbite mais dans des sens différents.
Des électrons libres et de noyaux à l’unisson
Dans d’autres matériaux, notamment certains conducteurs électriques (métaux), les atomes disposent d’électrons “libres”, non appariés, qui font perdurer un champ magnétique au niveau des atomes. Mais généralement, les atomes se dispersent à l’intérieur du corps, ce qui annule son champ magnétique. Quand on soumet ce corps à un aimant, il ne réagit pas ou très peu.
Dans le cas des matériaux ferromagnétiques, non seulement chaque atome a un moment magnétique dû à la présence d’électrons non appariés, mais les atomes ont en plus tendance à orienter leurs moments magnétiques parallèlement et dans le même sens. La force qui les y oblige – baptisée “l’interaction d’échange” – est d’origine quantique et dépend notamment de la distance interatomique.
Un effet d’alignement
L’interaction se répand entre différents atomes à l’intérieur de domaines magnétiques (des groupes d’atomes) constituant le matériau, orientés dans diverses directions, ce qui annule leur effet. Mais en présence d’un aimant, les domaines réagissent en s’alignant tous parallèlement, et le corps devient à son tour aimanté.
I.C.
D’après S&V n°1101
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