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Qu'est-ce que le paramagnétisme ? Comment affecte-t-il les matériaux qui nous entourent ?
Le paramatisme est un phénomène magnétique particulier. Sous l'influence d'un champ magnétique externe, certaines substances auront une attraction faible et formeront un champ magnétique interne de même direction que le champ magnétique externe. En revanche, les matériaux diamagnétiques sont repoussés par les champs magnétiques et créent un champ magnétique opposé au champ externe.
Les matériaux paramagnétiques comprennent la plupart des éléments chimiques et certains composés et ont une perméabilité magnétique relative légèrement supérieure à 1, ce qui signifie qu'ils sont attirés par les champs magnétiques.
Le moment magnétique de ces matériaux paramagnétiques sera induit lorsqu'il sera soumis à un champ magnétique externe, et cette induction est linéairement liée à la force du champ magnétique. Cependant, cet effet est généralement très faible et nécessite souvent une balance analytique très sensible pour être détecté. La source du paramagnétisme provient principalement des électrons non appariés présents dans le matériau. La plupart des atomes ayant des orbitales électroniques incomplètes présentent donc un paramagnétisme, mais certaines exceptions comme le cuivre existent.
Les électrons non appariés ont un moment dipolaire magnétique dû à leur spin, agissant comme de minuscules aimants. Le champ magnétique externe provoque l’alignement des spins de ces électrons avec la direction du champ magnétique, créant ainsi un réseau de forces attractives.
Les matériaux paramagnétiques courants comprennent l’aluminium, l’oxygène, le titane et l’oxyde de fer (FeO). Il existe une règle empirique simple en chimie : si tous les électrons d'un matériau sont appariés, alors le matériau est diamagnétique ; s'il y a des électrons non appariés, alors il est paramagnétique. Contrairement aux matériaux ferromagnétiques, les matériaux paramagnétiques ne conservent aucune magnétisation après la suppression du champ magnétique externe, car le mouvement thermique randomise l'orientation du spin. Même lorsqu'un champ magnétique est appliqué, la magnétisation induite est extrêmement faible car seule une petite fraction des spins est alignée dans la direction du champ externe.
Effets du spin électronique
Les matériaux paramagnétiques sont constitués d'atomes ou de molécules qui développent des moments magnétiques permanents (dipôles) en présence d'un champ magnétique externe, qui existent même en l'absence d'un champ magnétique appliqué. Lorsqu'un champ magnétique est appliqué, ces dipôles ont tendance à s'aligner avec le champ externe, formant un moment magnétique résultant.
Dans le paramagnétisme pur, ces dipôles n'interagissent pas entre eux et sont orientés de manière aléatoire en l'absence de champ magnétique externe, ce qui donne un moment magnétique total de zéro.
Lorsqu'un champ magnétique externe est appliqué, les spins s'alignent de sorte que le moment magnétique résultant pointe dans la direction du champ magnétique externe. Cela peut être compris à travers l’effet de couple en physique classique, mais sa cause réelle doit être expliquée à travers la mécanique quantique.
Corrélation entre les manifestations macroscopiques et la microstructure
Même certains matériaux ferromagnétiques présentent un paramagnétisme au-dessus de la température de Curie, lorsque l'énergie thermique disponible dépasse l'énergie d'interaction entre les spins, et se comportent ainsi comme des matériaux paramagnétiques normaux. En général, les effets paramagnétiques sont relativement faibles, la plupart des susceptibilités étant comprises entre 10^-3 et 10^-5, mais certains matériaux synthétiques tels que les ferrofluides peuvent avoir des susceptibilités aussi élevées que 10^-1.
Dans les matériaux conducteurs, les électrons sont délocalisés, ce qui signifie qu'ils peuvent se déplacer librement dans le solide. L’émergence de ce phénomène permet aux propriétés paramagnétiques et diamagnétiques d’exister simultanément dans ces matériaux.
Dans la plupart des cas, les électrons des métaux de type s et p présentent soit un paramagnétisme faible, soit des propriétés diamagnétiques, les propriétés diamagnétiques l'emportant généralement sur les effets du paramagnétisme dans des métaux comme l'or. En revanche, les électrons de type d et f présentent souvent des effets magnétiques plus forts, en particulier ces derniers, car ils sont généralement très localisés et peuvent transporter jusqu'à sept électrons non appariés. Par exemple, l’erbium (Gd) est utilisé dans la technologie IRM en raison de ses propriétés d’induction magnétique élevées.
Discussion sur les bases théoriques
La base théorique du paramagnétisme se trouve dans la mécanique quantique, en particulier dans le théorème de Bohr-van Leeuwen, qui stipule qu'il n'y aura ni diamagnétisme ni paramagnétisme dans un système purement classique. Dans des conditions de faible magnétisation, le comportement de magnétisation des matériaux paramagnétiques suit la loi de Curie, c'est-à-dire que leur magnétisation augmente avec la diminution de la température.
Cette loi stipule que la susceptibilité magnétique d'un matériau est inversement proportionnelle à sa température, ce qui signifie qu'un matériau devient plus magnétique à des températures plus basses.
Ainsi, en considérant le paramagnétisme et les propriétés des matériaux dans notre vie quotidienne, cela nous donne-t-il un niveau de compréhension plus profond de notre environnement ?
