Qu'est-ce qu'un ferromagnet?
Les matériaux ferromagnétiques sont généralement basés sur l'élément fer et représentent l'un des trois types de magnétisme existant dans la nature, distincts du diamagnétisme et du paramagnétisme. Les principales caractéristiques des ferromagnétiques sont qu’elles présentent un champ magnétique naturel, en l’absence de ce premier imposé à la substance par une source de champ magnétique externe, et le champ est, à toutes fins utiles, permanent. Les matériaux diamagnétiques, en revanche, présentent un champ magnétique induit faible, directement opposé à celui présent dans le fer. Les matériaux paramagnétiques comprennent l’aluminium et le platine, qui peuvent induire un léger champ magnétique, mais perdent rapidement l’effet lorsque le champ inducteur est éliminé.
Le matériau le plus commun dans la nature, qui présente des propriétés ferromagnétiques, est le fer, et cette qualité est connue depuis plus de 2 000 ans. D'autres terres rares peuvent également présenter un ferromagnétisme, tel que le gadolinium et le dysprosium. Les métaux qui agissent comme alliages ferromagnétiques comprennent le cobalt allié au samariam ou au néodyme.
Le champ magnétique dans un ferromagnétique est centré dans les régions atomiques où les spins des électrons sont alignés parallèlement les uns aux autres, appelés domaines. Ces domaines sont fortement magnétiques, mais dispersés de manière aléatoire dans la masse d’un matériau, ce qui lui confère un magnétisme naturel globalement faible ou neutre. En prenant de tels champs magnétiques naturels et en les exposant à une source magnétique externe, les domaines eux-mêmes s'aligneront et le matériau conservera un champ magnétique uniforme, puissant et durable. Cette augmentation du magnétisme général d'une substance est appelée perméabilité relative. La capacité du fer et des terres rares à conserver cet alignement de domaines et de magnétisme général est connue sous le nom d'hystérésis.
Alors qu'un ferromagnétique conserve son champ lorsque le champ magnétique inducteur est éliminé, il n'est conservé qu'à une fraction de sa force d'origine dans le temps. Ceci est connu comme la rémanence. La rémanence est importante dans le calcul de la force des aimants permanents basés sur le ferromagnétisme, où ils sont utilisés dans des appareils industriels et grand public.
Une autre limitation de tous les dispositifs ferromagnétiques est que la propriété du magnétisme est complètement perdue à une certaine plage de température appelée température de Curie. Lorsque la température de Curie est dépassée pour un ferromagnétique, ses propriétés sont remplacées par celles d'un paramagnet. La loi de Curie de la susceptibilité paramagnétique utilise la fonction de Langevin pour calculer le changement de propriétés ferromagnétiques à paramagnétiques dans des compositions de matériaux connues. Le passage d'un état à un autre suit une courbe prévisible, croissante, de forme parabolique, à mesure que la température augmente. Cette tendance du ferromagnétisme à s’affaiblir et éventuellement à disparaître avec l’augmentation de la température est appelée agitation thermique.
Le bourdonnement électrique entendu dans un transformateur dépourvu de pièces mobiles est dû à son utilisation d'un aimant ferromagnétique, appelé magnétostriction. Ceci est une réponse du ferromagnétique au champ magnétique induit créé par le courant électrique alimentant le transformateur. Ce champ magnétique induit fait que le champ magnétique naturel de la substance change légèrement de direction pour s'aligner sur le champ appliqué. Il s’agit d’une réponse mécanique du transformateur au courant alternatif (CA), qui alterne généralement par cycles de 60 hertz ou 60 fois par seconde.
La recherche avancée utilisant les propriétés ferromagnétiques a plusieurs applications potentielles intéressantes. En astronomie, un liquide ferromagnétique est conçu comme une forme de miroir liquide qui pourrait être plus lisse que les miroirs en verre et créé à une fraction du coût des télescopes et des sondes spatiales. La forme du miroir pourrait également être modifiée en actionnant des actionneurs de champ magnétique à des cycles d'un kilohertz.
Le ferromagnétisme a également été découvert de concert avec la supraconductivité dans le cadre de recherches en cours en 2011. Un composé de nickel et de bismuth, Bi 3 Ni, fabriqué à l’échelle nanométrique, ou un milliardième de mètre, présente des propriétés différentes de celles du même échantillons plus grands. Les propriétés des matériaux à cette échelle sont uniques, car le ferromagnétisme annule généralement la supraconductivité et ses utilisations potentielles sont encore à l’étude.
Les recherches allemandes sur les semi-conducteurs construits sur un ferromagnétique impliquent le composé arsénic gallium-manganèse, GaMnAs. Ce composé est connu pour avoir la température de Curie la plus élevée de tous les semi-conducteurs ferromagnétiques, de 100 ° C (212 ° Fahrenheit). De tels composés sont à l’étude afin d’optimiser de manière dynamique la conductivité électrique des supraconducteurs.