Aimant élémentaire

Les propriétés magnétiques de la matière, c'est-à-dire le diamagnétisme, le paramagnétisme et le ferromagnétisme, s'expliquent par des aimants élémentaires que chaque atome d'un solide paramagnétique et ferromagnétique possède (voir illustration ci-dessous). Il s'agit principalement de spins électroniques ou de spins nucléaires qui, en tant que spins atomiques, ont un effet magnétique comme de petits aimants élémentaires. De tels aimants élémentaires sont appelés en physique moments magnétiques.

Alignement des aimants élémentaires

Les forces magnétiques des aimants permanents s'expliquent par le fait que les aimants élémentaires sont alignés parallèlement au niveau des différents atomes du matériau. En effet, cet alignement parallèle des spins atomiques se retrouve dans les matériaux ferromagnétiques, pas nécessairement dans tout le matériau, mais dans ce que l'on appelle domaines de Weiss. Il est même possible de visualiser cet alignement lors d'une expérience.

Les moments magnétiques alignés des aimants élémentaires ne permettent une magnétisation durable que si les forces qui stabilisent l'alignement parallèle des aimants élémentaires sont suffisamment importantes. La force la plus importante à cet égard est l'interaction d'échange des spins des électrons. Dans les ferro-aimants, elle fait en sorte que les spins atomiques alignés ne puissent pas se mélanger à nouveau par mouvement thermique. Il reste par conséquent une magnétisation durable.

L'orientation des aimants élémentaires peut toutefois être perturbée par un apport d'énergie thermique, c'est-à-dire en les chauffant fortement. D'autres possibilités de démagnétisation sont des coups violents sur l'aimant ou l'application d'un champ magnétique extérieur de direction opposée. Dans ce cas, les différents aimants élémentaires se mélangent à nouveau et le champ mesurable à l'extérieur du matériau disparaît.

On peut se faire une bonne idée des aimants élémentaires alignés à l'aide d'un jeu d'aiguilles de boussole magnétiques placées sur une plaque de manière à pouvoir tourner. Les aiguilles de la boussole se disposent parallèlement dans certaines zones en raison de l'interaction mutuelle. C'est similaire aux domaines de Weiss dans un ferro-aimant non magnétisé. Si l'on passe un aimant permanent sur la plaque depuis l'extérieur, différents domaines de Weiss s'unissent en disposant les aiguilles de la boussole toutes parallèlement les unes aux autres. Cela se produit également avec les aimants élémentaires dans des matériaux ferromagnétiques et paramagnétiques, lorsqu'ils sont placés dans un champ magnétique extérieur. La différence entre le para-aimant et le ferro-aimant réside dans le fait que l'orientation des aimants élémentaires n'est pas stable dans le para-aimant, alors qu'elle l'est dans le ferro-aimant. Les aimants diamagnétiques ne possèdent pas d'aimants élémentaires qui pourraient être alignés.

La plupart des électro-aimants possèdent un noyau de fer ferromagnétique dont les aimants élémentaires sont orientés par le champ magnétique de l'électro-aimant et le décuplent.