Pourquoi certains métaux sont-ils attirés par les aimants et d'autres non ?

[ouiouibaguette]

Bonjour à tous,

Je m'intéresse depuis quelque temps au phénomène du magnétisme et une question me vient à l'esprit.

On sait qu'un aimant attire fortement certains métaux comme le fer, le nickel ou le cobalt. En revanche, des métaux comme le cuivre ou l'aluminium ne semblent pratiquement pas réagir lorsqu'on approche un aimant ordinaire.

D'après ce que j'ai compris, cette différence serait liée à la structure électronique des matériaux et à l'organisation des moments magnétiques des atomes.

Mais j'aimerais mieux comprendre quelques points :

- Pourquoi le fer présente-t-il un comportement ferromagnétique alors que l'aluminium est seulement paramagnétique ?
- Quel rôle joue exactement la structure électronique dans ces différences ?
- Est-il possible de rendre temporairement magnétique un métal qui n'est normalement pas ferromagnétique ?

Je trouve également intéressant qu'un aimant en mouvement puisse interagir avec du cuivre, notamment à travers les courants de Foucault, alors qu'un aimant immobile ne l'attire pratiquement pas.

Si certains membres peuvent apporter des explications physiques ou des exemples d'expériences simples, cela m'intéresserait beaucoup.

Merci d'avance pour vos éclaircissements !
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[ThM55]

C'est une question difficile. Pour une réponse complète et détaillée il faudrait aller assez loin dans l'étude de la structure électronique des solides, qui relève de la mécanique quantique. En effet, le magnétisme des matériaux est dû pour l'essentiel au moment magnétique propre des électrons et surtout des électrons des couches externes, qui sont un peu plus "libres" de réagir aux conditions extérieures que les autres. Et aussi comment ils réagissent entre eux. La différence entre les matériaux ferromagnétiques et paramagnétiques provient de la configuration qui est la plus favorable énergétiquement, en tenant compte des effets quantiques comme par exemple le principe d'exclusion de Pauli. Je ne vois pas comment expliquer toute cette théorie ici en une réponse (je ne pourrais pas d'ailleurs, je n'ai plus tous les détails en tête). Mais c'est un très beau sujet qui combine l'électromagnétisme, la structure des solides et la physique quantique et vous avez raison de vous y intéresser.

Le mieux pour commencer à comprendre sans se décourager d'emblée est de commencer par une introduction générale sur le magnétisme des matériaux. Par exemple le cours de Feynman. Celui-ci est disponible en ligne (en anglais, mais les navigateurs offrent des moyens de traduction si nécessaire): le volume II, chapitres 34 à 27: https://www.feynmanlectures.caltech.edu/II_toc.html . Ou plus avancé, le traité de Kittel sur la physique de l'état solide (niveau licence ou master).

[ThM55]

Comme exemple d'expérience, il y en a une très remarquable que j'avais essayée en TP quand j'étais étudiant, c'est l'effet Einstein-De Haas. Une ptite vidéo: https://www.youtube.com/watch?v=qFkW0PHhXcY . On trouve facilement d'autres démos sur Youtube pour cet effet (https://www.youtube.com/watch?v=uQ5w4_0S2l4).

L'explication: quand on renverse le champ magnétique, on renverse le sens du moment magnétique des électrons, donc aussi leur moment angulaire. Cela induit une rotation de l'aimant. C'est le seul exemple à ma connaissance d'un travail expérimental d'Albert Einstein publié, il était plutôt un théoricien. Il en a tiré avec de Haas, un physicien néerlandais, une valeur du moment magnétique de l'électron qui était erronée d'un facteur 2 parce qu'ils avaient négligé certains paramètres importants, comme la saturation du matériau. Mais l'idée de l'expérience est valable et a elle a été refaite par d'autres avec des meilleurs résultats.

[popop]

bonjour,
l'inox aussi a un comportement variable selon les nuances, mais il peut être amagnétique et le devenir au niveau du cordon de soudage, même sans apport de métal.

[A voir en vidéo sur Futura]