Rémanence

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Qu'est-ce que la rémanence?

La rémanence ou densité de flux rémanent dans un matériau ferromagnétique (par exemple, le fer) se manifeste par des forces magnétiques mesurables qui subsistent lorsque le matériau a été temporairement exposé à un champ magnétique et qu'il a été magnétisé. La valeur numérique de la rémanence indique l'intensité de la magnétisation. La rémanence maximale est une valeur spécifique au matériau, qui peut être déterminée à partir de la courbe d'hystérésis.

Table des matières

Par rémanence, on entend la magnétisation qui subsiste dans un matériau ferromagnétique après l'arrêt d'un champ magnétique externe. On parle aussi de densité de flux rémanent.

Lorsqu'un corps est soumis à un champ magnétique externe, il en résulte une magnétisation. Le champ magnétique généré par la magnétisation elle-même est particulièrement fort dans les matériaux ferromagnétiques et aligné dans la même direction que le champ magnétique externe.

Rémanence dans les matériaux ferromagnétiques

À température ambiante, seuls les éléments fer, nickel et cobalt sont ferromagnétiques. Il existe aussi des alliages et composés ferromagnétiques ainsi que des éléments qui deviennent ferromagnétiques à basse température.

Des matériaux ferromagnétiques présentent à leur tour une forte rémanence lorsque le champ magnétique externe est éteint.

La rémanence peut être observée dans la vie quotidienne lorsqu'un corps contenant du fer, comme des ciseaux, est exposé à un champ magnétique puissant. On constate alors que les ciseaux peuvent attirer des objets contenant du fer, comme des épingles, même lorsque l'aimant a été retiré.

Explication physique de la rémanence

Pour expliquer la rémanence, on peut s'imaginer que chaque matière est composée d'atomes comprenant des noyaux atomiques et des électrons. Les électrons possèdent ce que l'on appelle un "spin", qui possède des propriétés magnétiques.

La physique de la rémanence a un rapport avec le spin de l'électron. Les spins des électrons se comportent comme de minuscules aimants élémentaires. Sans champ magnétique extérieur, ils ne sont pas alignés uniformément et sont en plus constamment en mouvement. Ce mouvement augmente à des températures élevées. Si l'on imagine les spins des électrons comme des barre magnétiques, les pôles de ces nombreuses barres magnétiques minuscules pointent dans des directions différentes qui, de plus, changent constamment. Ainsi, le corps entier n'est pas magnétique.

Lors de la magnétisation d'un corps ferromagnétique dans un champ magnétique externe, tous les aimants élémentaires sont alignés parallèlement. Le pôle Nord de tous les aimants microscopiques pointe dans une direction, le pôle Sud dans l'autre.

Si la température n'est pas trop élevée, les spins des électrons dans un ferro-aimant restent alignés, même lorsque le champ magnétique externe est retiré. Cela est dû à une interaction mutuelle des spins des électrons, appelée interaction d'échange, qui est particulièrement forte dans des ferro-aimants. L'orientation de chaque aimant élémentaire est stabilisée. Le corps reste alors sensiblement magnétique dans son ensemble. Cette magnétisation persistante est la rémanence.

Pour un même champ magnétique extérieur, la rémanence est plus importante dans les matériaux magnétiquement durs que dans les matériaux magnétiquement doux.

La rémanence disparaît lorsque le corps magnétisé est fortement chauffé ou fortement secoué, car cela modifie à nouveau l'orientation des spins des électrons. Un champ magnétique polarisé dans le sens opposé peut également faire disparaître la rémanence. Pour cela, une force de champ magnétique bien précise, appelée champ coercitif, est nécessaire pour que, d'une part, la démagnétisation soit complète, mais que, d'autre part, une rémanence de polarité opposée ne s'établisse pas encore.

L'effet selon lequel l'aimantation des corps ferromagnétiques ne suit pas strictement proportionnellement la modification du champ magnétique extérieur, c'est-à-dire qu'il reste notamment une rémanence lorsque le champ magnétique extérieur est désactivé, est également appelé hystérésis.

L'intensité de la rémanence est indiquée par la densité de flux magnétique

qui est mesurée dans les unités de Tesla ou Gauss. La conversion est de 1 T = 1 Tesla = 10 000 Gauss = 10 kG.

Fig. Courbe d'hystérésis pour un matériau magnétiquement doux (à gauche) et un matériau magnétiquement dur (à droite). Pour le matériau encore non magnétisé, la "courbe initiale" rouge montre le parcours de l'aimantation au dessus du champ extérieur. La courbe respective est valable pour le tracé représenté par les flèches.

Les points typiques de la courbe d'hystérésis sont le champ coercitif H_c, qui est nécessaire pour compenser la rémanence du matériau par le champ extérieur, ainsi que la rémanence B_R elle-même, qui désigne la densité de flux magnétique restante lorsque le champ magnétique extérieur disparaît. Enfin, il y a la densité de flux de saturation B_S, à laquelle tous les spins des électrons sont alignés.

Dans tout aimant, une certaine quantité d'énergie est stockée grâce à l'orientation des spins électroniques, qui est indiquée par le produit énergétique. L'orientation des spins électroniques est détruite à des températures élevées. L'énergie magnétique stockée (valeur du produit énergétique sous forme de chiffre) ainsi que la température maximale d'utilisation (indiquée par une combinaison de lettres, par exemple "N" pour 80 °C) déterminent la qualité de l'aimant. Un aimant de grande qualité a donc également une rémanence importante et par conséquent des forces magnétiques élevées.

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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