L'intensité du champ magnétique H, l'induction magnétique B, l'aimantation M et la polarisation magnétique J sont quatre concepts fondamentaux du magnétisme. Bien qu'interdépendants, ils sont parfois confondus. Leur compréhension est essentielle pour les professionnels de l'industrie des matériaux magnétiques. Nous allons aujourd'hui les expliquer en détail, ainsi que leurs relations.
Intensité du champ magnétique H
L'intensité du champ magnétique H est en réalité une grandeur physique sans signification pratique. Initialement, elle a été définie en supposant l'existence de charges magnétiques, mais on a découvert par la suite que celles-ci n'existent pas ; il s'agit simplement du revers du courant électrique.
Dans les années 1820, des scientifiques ont fait une série de découvertes révolutionnaires qui ont donné naissance à la théorie magnétique moderne.
En juillet 1820, le physicien danois Hans Ørsted découvrit que le courant électrique traversant un conducteur exerce une force sur une aiguille aimantée, provoquant sa déviation. (Expérience d'Ørsted : l'effet magnétique du courant électrique)
En septembre, une semaine seulement après que cette nouvelle soit parvenue à l'Académie française des sciences, Ampère a démontré avec succès, par des expériences, que si les courants circulant dans la même direction s'attirent, ils s'attireront également s'ils circulent dans des directions opposées.
En 1825, Ampère publia la loi d'Ampère, une règle régissant la relation entre la direction des lignes de champ magnétique d'un courant électrique et le champ magnétique qu'il génère.
Grâce à des mesures mécaniques, on peut déterminer qu'à égale distance d'un long conducteur rectiligne, l'aiguille d'une boussole est soumise à un champ magnétique d'intensité identique ; à des distances différentes, l'intensité du champ magnétique est inversement proportionnelle à la distance. On définit ainsi la grandeur physique de l'intensité du champ magnétique H à partir de mesures mécaniques et de l'intensité du courant. Son unité est l'ampère par mètre (A/m). Dans le système d'unités gaussien, l'unité de H est l'oénon (Oe) (1 A/m = 4π × 10⁻³ Oe).
Il existe de nombreuses interprétations de l'intensité du champ magnétique H. Nous pouvons la simplifier en considérant H comme un champ magnétique externe (analogue à l'intensité du champ électrique ; par exemple, en utilisant un courant I pour appliquer un champ magnétique H à un objet).
intensité d'induction magnétique B
L'intensité d'un champ magnétique correspond simplement au champ magnétique généré par un courant appliqué. Dans les matériaux ferromagnétiques placés dans un champ magnétique, outre l'influence du champ magnétique externe H, les particules du matériau génèrent également un champ magnétique induit sous l'effet de ce champ externe. L'intensité d'induction magnétique B représente le champ magnétique total “ perçu ” par une particule, soit la somme du champ magnétique appliqué H et du champ magnétique induit M.
Dans le vide, l'intensité de l'induction magnétique est directement proportionnelle au champ magnétique extérieur, soit B = μ₀H, où μ₀ est la perméabilité du vide. À l'intérieur d'un matériau ferromagnétique, l'intensité de l'induction magnétique B = μ₀(H + M), ce qui signifie que le champ magnétique total est égal à μ₀ multiplié par la somme du champ magnétique H généré par le courant et du champ magnétique M généré après l'aimantation du milieu par H. L'unité de B est le tesla (T), qui correspond à l'unité gaussienne (Gs). 1 T = 10⁻¹⁹ kg·s.
En réalité, l'intensité d'induction magnétique correspond à la véritable “ force du champ magnétique ” d'un aimant. Cependant, comme H a historiquement été désigné comme la force du champ magnétique, B est également appelé intensité d'induction magnétique. B et H font tous deux référence à la “ force du champ magnétique ”, mais leurs unités diffèrent en raison de définitions et de calculs différents (dans le système gaussien, B est exprimé en unités gaussiennes (Gs), tandis que H est exprimé en unités oersted (Oe, 1 Oe = 1 × 10⁻⁴ Wb·m⁻² = 1 × 10⁻⁴ T = 1 Gs)).
L'intensité du champ magnétique H représente le champ magnétique dans un espace virtuel, sans tenir compte de la matière présente dans cet espace. Elle s'intéresse à la relation entre le champ magnétique et le courant qui le génère. L'intensité de l'induction magnétique B, quant à elle, considère l'intensité du champ magnétique final après l'ajout de matière réelle au champ magnétique virtuel H. Elle s'intéresse à l'intensité réelle du champ magnétique généré par la matière.
Magnétisation M
Nous avons déjà évoqué la magnétisation M, qui correspond au champ magnétique induit par les particules de la matière sous l'influence d'un champ magnétique externe. La physique moderne a démontré que chaque électron d'un atome subit un mouvement orbital et un mouvement de spin autour du noyau, deux phénomènes qui produisent des effets magnétiques. Si l'on considère une molécule dans son ensemble, la somme des effets magnétiques générés par tous les électrons qui la composent peut être représentée par un courant circulaire équivalent. Ce courant circulaire équivalent est appelé courant moléculaire, et son moment magnétique correspondant est appelé moment magnétique moléculaire, noté pm. Il s'agit de la somme vectorielle des moments magnétiques de toutes les orbitales électroniques et des moments magnétiques de spin de la molécule.
En l'absence de champ magnétique externe, la somme vectorielle des moments magnétiques de toutes les molécules contenues dans un élément de volume quelconque du milieu magnétique est nulle. Cependant, lorsqu'un champ magnétique externe est présent dans le milieu magnétique, chaque molécule subit un couple qui contraint son moment magnétique à s'aligner avec la direction du champ. Par conséquent, sous l'influence du champ magnétique externe, la somme vectorielle des moments magnétiques de toutes les molécules contenues dans un élément de volume quelconque n'est plus nulle. Ainsi, le milieu magnétique présente un certain degré de magnétisme, ou en d'autres termes, il est magnétisé. Pour décrire l'état de magnétisation (degré et direction de magnétisation) du milieu magnétique, on introduit le vecteur de magnétisation M, qui représente la somme vectorielle des moments magnétiques de toutes les molécules par unité de volume, et dont l'unité est l'ampère par mètre (A/m).
Pour étudier la relation entre le champ magnétique induit M et le champ appliqué H, on définit la susceptibilité magnétique χ = M/H. Une susceptibilité magnétique élevée signifie qu'un même champ magnétique externe peut générer un champ magnétique induit interne plus important ; une faible susceptibilité magnétique signifie que même avec un champ magnétique externe intense, le matériau ne réagira que faiblement. La susceptibilité magnétique peut être positive ou négative. Une susceptibilité magnétique positive χ > 0 indique que le champ magnétique interne M généré est de même direction que le champ magnétique externe H. Une susceptibilité magnétique négative χ < 0 indique que le champ magnétique additionnel M généré à l'intérieur du matériau par H est de direction opposée à celle du champ externe H.
Polarisation magnétique J
Dans le texte précédent, nous avons introduit l'intensité d'induction magnétique B = μ₀(H + M) = μ₀H + μ₀M. Nous appelons μ₀M l'intensité de polarisation magnétique du matériau, soit J = μ₀M, et son unité est le tesla (T). L'intensité de polarisation magnétique J s'interprète physiquement comme le moment dipolaire magnétique par unité de volume du milieu magnétique, également appelé induction magnétique intrinsèque. Son symbole est Bi ou J. Dans le système gaussien, μ₀ = 1, donc J = M.
Dans les matériaux magnétiques doux, l'intensité du champ magnétique ne dépasse généralement pas 1000 A/m, μ0 vaut 4×10-7 H/m et J=B-μ0H, de sorte que la différence entre l'intensité d'induction magnétique B et l'intensité de polarisation magnétique J est très faible ; cependant, dans les matériaux magnétiques durs, cette différence est très importante, c'est pourquoi on donne généralement deux courbes de relation, B=f(H) et J=f(H).
