Polarisation magnétique

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Qu'entend-on par polarisation magnétique ?

Par polarisation magnétique d'un matériau ferromagnétique, on entend l'orientation des aimants élémentaires dans le matériau, c'est-à-dire le processus de magnétisation. On désigne souvent aussi par polarisation magnétique la direction et l'intensité des forces magnétiques qui résultent des aimants élémentaires orientés. On parle d'aimants à polarisation inversée lorsque le pôle nord d'un aimant se trouve à la place du pôle sud de l'autre aimant, et inversement.

Table des matières

Par polarisation magnétique, on entend le processus d'alignement des moments magnétiques. Une fois l'alignement achevé, la polarisation désigne la direction selon laquelle les aimants élémentaires ont été alignés. La polarisation magnétique se manifeste sous forme de magnétisation et indique également la direction de la magnétisation. Pour deux aimants différents, on parle de polarisation inverse ou de polarisation opposée lorsque les deux aimants ont leurs pôles Nord et leurs pôles Sud respectivement aux extrémités opposées.

Comment se produit la polarisation magnétique ?

La polarisation magnétique se produit physiquement lorsque les moments magnétiques présents dans la matière s'alignent sous l'effet d'un champ magnétique externe. De ce fait, les forces magnétiques de tous les moments magnétiques s'additionnent et il en résulte une amplification du champ magnétique externe par le facteur μ, la perméabilité magnétique. Cela se produit précisément lorsqu'il existe dans la matière des moments magnétiques qui peuvent également être orientés. Il peut s'agir, par exemple, de spins d'électrons individuels. Les matériaux dotés de cette propriété sont paramagnétiques ou même ferromagnétiques. Le processus de polarisation de la matière est observable lorsqu'un matériau ferromagnétique est placé dans un champ magnétique externe.

Si un champ magnétique externe H₀ agit sur un matériau de perméabilité magnétique μ, une densité de flux magnétique B se manifeste, qui est supérieure à celle du vide par le facteur μ du matériau : B = μμ₀H₀.

Ce changement apparent de la densité de flux magnétique, qui résulte de l'influence de la matière contrairement au vide, est la polarisation magnétique et elle est désignée par la lettre J. Un matériau ferromagnétique, par exemple, augmente la densité de flux magnétique. La polarisation magnétique dans un champ externe H₀ est déterminée par la susceptibilité magnétique χ du matériau : J=χμ₀H₀.

Étant donné que B=μ₀H₀+J,

on peut dire que μ=(1+χ) représente la relation entre la susceptibilité magnétique χ et la perméabilité magnétique μ.

Détection expérimentale

Dans l'expérience, la polarisation magnétique peut être détectée en mesurant la densité de flux magnétique à l'extrémité d'une bobine de fil de fer lorsqu'un courant passe à travers la bobine. Cela peut par exemple être réalisé avec un capteur à effet Hall. Si un matériau ferromagnétique est introduit dans la bobine, par exemple un cylindre de fer, on mesurera une densité de flux magnétique beaucoup plus grande qu'en l'absence du noyau de fer.

Si l'on applique une tension U aux extrémités d'une bobine, un courant I circule. Ce courant, à son tour, entraîne une densité de flux magnétique B. La grandeur de la densité de flux dépend de manière déterminante de la perméabilité magnétique du volume contenu dans la bobine. Si la bobine est remplie d'air (μ=1, côté gauche), un flux magnétique B se forme, représenté sur l'illustration par des lignes de champ. Cependant, si un matériau ferromagnétique avec une perméabilité supérieure à 1 est introduit dans la bobine (pour le fer, μ peut atteindre des valeurs jusqu'à 100000), les spins atomiques du matériau s'alignent parallèlement au champ magnétique généré (les spins atomiques sont représentés en rouge, côté droit). Ce processus de la polarisation magnétique rend le flux magnétique B nettement plus important. À la surface de l'aimant, un champ magnétique sensiblement plus fort peut être mesuré et les forces magnétiques d'une telle bobine avec un noyau de fer magnétiquement polarisé sont également bien plus élevées.

Relation entre la polarisation magnétique et la densité de flux magnétique

Dans le vide (μ=1), un champ magnétique H₀ correspond à une densité de flux magnétique B=μ₀H₀.

Du fait de la matière, la polarisation magnétique J s'y ajoute : B=μ₀H₀+J.

Cela correspond à une augmentation du champ magnétique H par rapport au champ magnétique externe H₀ par la magnétisation M :

H=H₀+M.

La polarisation magnétique correspond donc fondamentalement à la magnétisation. La polarisation magnétique est la densité de flux magnétique qui appartient au champ magnétique d'une magnétisation donnée. La magnétisation est un champ magnétique, alors que la polarisation magnétique est une densité de flux magnétique.

Puisque B=μ₀H, il en résulte B=μ₀H₀+μ₀M.

Puisque B=μ₀H₀+J, la polarisation magnétique J est à son tour égale au produit de la magnétisation M et de la constante de perméabilité du vide μ₀ : J=μ₀M.

La magnétisation est mesurée en ampères par mètre (A/m), tandis que l'unité de la polarisation magnétique est identique à celle de la densité de flux magnétique tesla (T).

Dans les ferro-aimants, une partie de la polarisation magnétique persiste même lorsque le champ magnétique externe est désactivé. Cette polarisation magnétique résiduelle est appelée rémanence. La raison de la polarisation magnétique résiduelle dans les matériaux ferromagnétiques est l'alignement permanent des moments magnétiques des spins électroniques. Les spins électroniques restent dans l'état aligné en raison de l'interaction d'échange. L'alignement des moments magnétiques ne peut être détruit que par apport de chaleur, par des coups violents ou par un champ coercitif opposé.

Dans les aimants diamagnétiques, il n'y a pas de moments magnétiques permanents présents. Cependant, lorsqu'un matériau diamagnétique est introduit dans un champ magnétique externe, un effet se produit, à savoir l'induction de courants circulaires dans le matériau. L'induction de courants circulaires dans le matériau est un effet qui se produit également dans les substances paramagnétiques et ferromagnétiques, mais qui est superposé par les moments magnétiques permanents, c'est-à-dire le paramagnétisme et le ferromagnétisme. Les courants circulaires induits possèdent eux-mêmes des moments magnétiques. Cependant, ceux-ci n’accentuent pas le champ externe, mais l’atténuent (selon la règle de Lenz), car ils sont dirigés contre le champ magnétique externe.

Auteur:
Dr Franz-Josef Schmitt

Dr. Franz-Josef Schmitt est physicien et directeur scientifique des cours pratiques avancés de physique à l'université Martin-Luther de Halle-Wittenberg. Il a travaillé à l'université technique de 2011 à 2019 et a dirigé divers projets pédagogiques ainsi que le laboratoire de projets en chimie. Ses recherches se concentrent sur la spectroscopie de fluorescence résolue en temps sur des macromolécules biologiquement actives. Il est également directeur de Sensoik Technologies GmbH.

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