Qu'est-ce qu'un matériau ferromagnétique ?
Il s'agit d'un groupe restreint de métaux qui ont la capacité de devenir des métaux lourds. aimants permanents en raison de leur caractère unique propriétés magnétiques. Ils ont une susceptibilité relativement élevée aux champs magnétiques, ce qui leur permet d'être facilement magnétisés. Ce type de magnétisme se manifeste dans une catégorie de métaux appelée métaux ferreux. Le fer, le cobalt et le nickel sont des exemples de ces types de métaux.
Ces matériaux contiennent des électrons non appariés ainsi que des dipôles atomiques. Ces propriétés, associées à leur structure cristalline, augmentent leur susceptibilité magnétique et leur capacité à devenir instantanément magnétiques.
Types de métaux et d'alliages ferromagnétiques
Plusieurs matériaux présentent cette propriété. Il s'agit notamment des documents suivants;
Ce métal a une structure cristalline avec deux électrons non appariés dans les enveloppes externes. La variation α du métal est ferromagnétique. Le point de Curie du métal se situe à 1043°K, température au-delà de laquelle il perd ses propriétés supérieures. Il possède des domaines à l'intérieur desquels ses électrons non appariés tournent pour créer le champ magnétique lorsqu'ils s'alignent. Une exposition prolongée entraîne la saturation magnétique du métal. Il est également très sensible aux champs magnétiques externes qui lui permettent d'être facilement magnétisé.
Sa saturation magnétique est relativement élevée, ce qui accroît sa capacité à être magnétisé en permanence. Tout comme le fer, il peut conserver ses propriétés jusqu'à ce qu'il atteigne le point de Curie, soit 1145°C. Ses propriétés magnétiques sont influencées par la taille de ses particules et peuvent varier en fonction de leur taille. Il présente une anisotropie magnétique qui se caractérise par l'alignement des électrons dans une direction similaire. Le métal peut être temporairement démagnétisé à l'aide d'un aimant plus puissant. Il présente également une forte perméabilité magnétique.
Le nickel est un autre matériau ferromagnétique qui expose qui expose paramagnétisme à l'état pur. Cependant, s'il contient une trace de fer ou de cobalt, il devient ferromagnétique avec une susceptibilité magnétique élevée. Sa capacité ferromagnétique dépend largement des autres éléments qu'il contient. Il perd toutes ses capacités ferromagnétiques à 355°C.
Il s'agit d'un matériau très sensible à l'influence magnétique et qui peut donc être facilement magnétisé. Ses propriétés magnétiques sont influencées par la température et présentent des propriétés ferromagnétiques en dessous de 85°K. Dans son plan basal, il subit une magnétisation spontanée ainsi qu'une augmentation de la température en présence d'un champ magnétique.
Le terbium est un élément des terres rares qui est paramagnétique à température ambiante mais qui présente des propriétés ferromagnétiques en dessous de 237°K. Lorsqu'il est soumis à un champ magnétique, sa température commence à augmenter.
Ce matériau est généralement fusionné avec des matériaux tels que le bore et le fer, qui renforcent considérablement ses propriétés magnétiques, bien qu'à l'état naturel, il soit antiferromagnétique. Il est magnétisé le long d'un axe cristallin particulier en raison de son anisotropie uniaxiale élevée. Sa microstructure et sa structure cristalline sont quelques-unes des propriétés qui en font un aimant exceptionnellement puissant.
Matériau ferromagnétique mou et matériau ferromagnétique dur
Il existe deux grandes catégories de matériaux ferromagnétiques : les matériaux ferromagnétiques doux et les matériaux ferromagnétiques durs. Ces catégories sont influencées par différentes propriétés, notamment la capacité de rétention, la perméabilité et la coercivité. Un autre facteur qui détermine la catégorie est la courbe de leur hystérésis.
Les ferromagnétiques doux ne nécessitent qu'une influence magnétique externe limitée pour être démagnétisés, d'où leur faible coercivité. Ils libèrent une énergie limitée dans la boucle, ce qui rend leur courbe d'hystérésis étroite et abrupte. Ils ont également une capacité de rétention et une perméabilité réduites.
D'autre part, les matériaux ferromagnétiques durs ont une force magnétique plus élevée avec une coercivité accrue. Il faut un champ magnétique plus puissant pour les démagnétiser, ce qui leur permet d'avoir une capacité de rétention plus élevée. Leur courbe est large car ils libèrent beaucoup d'énergie dans la boucle d'hystérésis.
Applications pratiques des matériaux ferromagnétiques
En raison de leurs capacités magnétiques, les matériaux ferromagnétiques ont une multitude d'utilisations. Ces applications comprennent la production des éléments suivants;
- Aimants permanents
- Noyaux de transformateurs
- Dispositifs de stockage magnétique
- Équipements électriques et électromécaniques
- Électro-aimants
Les différents types de matériaux ferromagnétiques conviennent à diverses utilisations. Les matériaux ferromagnétiques conviennent parfaitement aux applications qui dépendent des propriétés magnétiques. Avec leurs différentes propriétés, il est important de sélectionner un matériau ferromagnétique qui répondra à toutes vos exigences.
Causes du ferromagnétisme
Le ferromagnétisme est dû aux facteurs suivants :
Dipôles atomiques
Il s'agit du détachement des charges positives et négatives dans une molécule. Dans les matériaux qui présentent un ferromagnétisme, il existe des sections appelées domaines dans lesquelles se produit l'alignement de ces dipôles atomiques. Cet alignement entraîne la création d'un moment magnétique net qui est nul dans ces matériaux car il se produit dans une direction opposée.
Structure cristalline
La structure cristalline a un impact considérable sur l'orientation des dipôles atomiques et d'autres caractéristiques magnétiques des matériaux ferromagnétiques. La structure peut faciliter la rotation des dipôles ou agir comme un obstacle empêchant la création d'un moment magnétique. Elle influence également des propriétés telles que la structure des domaines, l'ordre magnétique, les groupes d'espace, l'anisotropie et la température de Curie.
Effets de la mécanique quantique
Les électrons des matériaux ferromagnétiques sont contrôlés par la mécanique quantique. Le principe d'exclusion de Pauli dicte l'orientation des électrons : lorsque des électrons sont proches, ils ne peuvent pas s'aligner dans une direction similaire. Ils sont donc antiparallèles, ce qui entraîne une forte répulsion qui provoque l'alignement des électrons sur les spins.
Hystérésis
Il s'agit du décalage et de l'alignement des domaines lorsqu'un matériau est exposé à des champs magnétiques provenant d'une influence extérieure, ce qui entraîne une augmentation de l'aimantation. Ce phénomène influence d'autres propriétés magnétiques telles que la saturation, la coercivité et la susceptibilité. Le degré d'hystérésis est influencé par l'intensité du champ magnétique externe.
Les propriétés des matériaux ferromagnétiques sont les suivantes
- Ces matériaux présentent un arrangement à micro-échelle des spins électroniques qui crée des domaines magnétiques qui intensifient le champ magnétique des matériaux.
- Dans leur domaine, ces matériaux ont un moment dipolaire permanent qui est aligné dans une direction uniforme similaire au champ extérieur.
- Le magnétisme de ces matériaux prend fin lorsqu'ils sont exposés à des températures supérieures à leur point de Curie. Cela est dû à la disparition de l'ordre à longue portée causée par ces températures.
- Ces matériaux présentent des niveaux élevés de susceptibilité magnétique, ce qui leur permet d'être facilement magnétisés et d'afficher des propriétés magnétiques accrues.
- Lorsqu'un champ externe est appliqué à ces matériaux, la force de leur capacité magnétique continue à croître jusqu'à sa limite maximale. Cette limite peut également être appelée niveau de saturation.
- Leurs capacités magnétiques peuvent être représentées graphiquement sous la forme d'un champ magnétique appliqué. Ce graphique est appelé boucle d'hystérésis et permet de suivre les matériaux magnétisés, démagnétisés et remagnétisés.
Les matériaux ferromagnétiques subissent un changement connu sous le nom de transition de phase lorsqu'ils sont exposés à des températures supérieures à leur température de curie. Les températures supérieures à la limite du matériau entraînent la perte de la capacité du matériau à s'aimanter. Le matériau résultant ne présentera que des propriétés para-magnétiques.
La température de Curie des matériaux ferromagnétiques comprend ;
- Fer : 770 °C
- Nickel : 360 °C
- Cobalt : 1121 °C
- Matériaux ferromagnétiques et matériaux diamagnétiques
Les matériaux ferromagnétiques exercent une attraction accrue lorsqu'ils sont exposés à des champs magnétiques, en raison de la rotation des électrons non appariés qui tombent en ligne vers un champ externe. À l'opposé, les matériaux diamagnétiques ne possèdent pas de tels électrons. Pour cette raison, ces matériaux subissent une forme induite de moments magnétiques conduisant à un effet répulsif.
Les matériaux diamagnétiques peuvent donc être caractérisés par leur capacité à générer un mouvement répulsif quel que soit le pôle auquel ils sont exposés. De même, les matériaux ferromagnétiques seront attirés vers un champ, quelle que soit l'orientation du pôle.
- Matériaux ferromagnétiques et paramagnétiques
Les matériaux paramagnétiques sont des matériaux qui présentent une attraction atténuée favorisant un seul pôle en raison de la présence d'électrons non appariés dans leur structure. Ils possèdent également un moment dipolaire permanent qui résulte de l'annulation incomplète du spin des électrons. Lorsqu'ils sont exposés à un champ externe, ils perdent toute propriété liée à la proximité du champ.
En revanche, les matériaux ferromagnétiques qui possèdent à la fois un moment dipolaire permanent et des électrons non appariés sont attirés par les deux pôles. Ils possèdent des domaines magnétiques qui amplifient leur force magnétique. Ils conservent leurs propriétés magnétiques même en l'absence d'influence extérieure.
- Matériau ferromagnétique et matériau antiferromagnétique
Les moments magnétiques des matériaux antiferromagnétiques impliquent des atomes qui s'alignent dans une formation antiparallèle lorsqu'ils sont proches les uns des autres, ce qui entraîne l'inversion de leurs propriétés magnétiques. Les matériaux antiferromagnétiques contiennent un moment dipolaire magnétique réduit qui s'aligne dans la direction opposée au champ magnétisant. En revanche, les matériaux ferromagnétiques contiennent un moment dipolaire magnétique important et accru, orienté dans la même direction que le champ magnétisant.
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