Dans les aimants traditionnels, les différents moments magnétiques composant l’aimant s’orientent de façon différente selon les endroits, formant ainsi différents domaines.
En l’absence de champ magnétique extérieur, les moments magnétiques des différents domaines s’annulent, le moment magnétique total est donc nul. Mais lorsque l’on applique un champ magnétique extérieur, les différents moments s’alignent dans la direction des lignes de champ.
Ensuite lorsque l’on supprime ce champ magnétique, les moments magnétiques des différents domaines restent orientés et le moment magnétique total est non nul. C’est un comportement associé au ferromagnétisme. Les blocs de magnétite que l’on peut trouver dans la nature ont par exemple ce type de comportement.
Représentation graphique de l’aimantation induite en fonction du champ magnétique extérieur dans un matériau ferromagnétique.
(source : http://www.emse.fr/~bouchardon/enseignement/processus-naturels/up1/web/wiki/Q%20-%20Magnetisme%20-%20Origine%20du%20champ%20magn%C3%A9tique%20terrestre%20-%20Saifane.htm )
Comparons ces propriétés à celles du ferrofluide.
Superparamagnétisme :
Notre ferrofluide est constitué de nanoparticules de magnétite qui sont toutes férromagnétiques, mais contrairement à un bloc de magnétite, ces particules sont trop espacées entre elles, et les différents moments magnétiques ne s’organisent pas sous forme de domaine dans le fluide.
En l’absence de champ extérieur, les différents moments magnétiques ne sont alors orientés dans aucune direction permanente et sont en rotation constante, et de ce fait s’annulent. Le moment magnétique résultant du ferrofluide est alors nul. Mais en présence d’un champ magnétique extérieur, les particules s’orientent alors immédiatement dans la direction des lignes de champ. Le ferrofluide prend alors directement un moment magnétique total élevé ; ce type de comportement est appelé superparamagnétisme, il peut être représenté par le graphique suivant :
Représentation graphique de l’aimantation induite ( B) en fonction du champ magnétique extérieur (H) dans des matériaux superparamagnétiques (f), paramagnétiques (p), dans le vide (0) et dans des matériaux diamagnétiques (d).
(Source : http://fr.wikipedia.org/wiki/Perm%C3%A9abilit%C3%A9_magn%C3%A9tique)
Nous ne sommes intéressés ici qu’aux comportements superparamagnétique et paramagnétique.
Le comportement du ferrofluide est ici caractérisé par la courbe f. La plupart des matériaux non aimantés ont un comportement paramagnétique (p), c’est à dire que leur moment magnétique induit est proportionnel à l’intensité du champ magnétique extérieur et augmente très peu. Tandis que le ferrofluide, lui, n’a pas besoin d’un champ magnétique extérieur très intense pour être fortement aimanté, tout en perdant toute aimantation dès que l’intensité du champ extérieur retombe à 0. C’est la propriété qui le rend intéressant.
Schéma du comportement de deux particules de magnétite dans un ferrofluide en l’absence de champ magnétique extérieur.
(Schéma réalisé à l’aide de l’application dessin google docs)
Schéma du comportement de deux particules de magnétite dans un ferrofluide en présence de champ magnétique extérieur.
(Schéma réalisé à l’aide de l’application dessin google docs)
Sous cette forme, la magnétite ne risque pas de perdre en aimantation ; ainsi le ferrofluide réagira toujours de la même façon a un champ magnétique donné, cette constance est l’une des raisons pour laquelle il est intéressant de l’utiliser dans le cadre d’un pompe cardiaque artificielle.
Nous avons réalisé quelques petites expériences simples permettant de constater ces différents comportements de la magnétite selon le fait qu’elle soit à l’état de bloc ou sous forme de nanoparticules en suspension dans le ferrofluide.
Ainsi, lorsque l’on approche notre bécher contenant de la magnétite juste cristallisée (voir fin de la première partie du TP) d’une boussole, on peut constater que l’aiguille est tantôt attirée, tantôt repoussée par le bécher selon la face que l’on approche; et que le côté de l’aiguille attiré dépend aussi de la face du bécher que l’on approche.
Ce premier constat nous permet donc de mettre en évidence le comportement ferromagnétique de la magnétite en bloc, résultant de la formation de domaines magnétiques à l’intérieur de celui-ci, conférant un moment magnétique non nul au bloc.
En revanche, en faisant la même expérience avec notre pilulier rempli de ferrofluide, nous pouvons constater qu’en l’approchant d’une aiguille, celle-ci n’est jamais repoussée mais toujours attirée, et l’aiguille attirée est toujours celle qui se trouve le plus proche du pilulier.
Nous mettons ainsi en évidence le caractère superparamagnétique du ferrofluide. L’aiguille de la boussole étant un dipôle magnétique, il produit un champ magnétique qui va aimanter le ferrofluide quel que soit son orientation. L’aiguille la plus proche étant le pôle magnétique le plus proche, c’est celui qui va exercer le plus de force sur les particules de magnétite ; les pôles opposés des particules vont donc naturellement s’orienter dans sa direction et le ferrofluide qui va alors présenter un moment magnétique non nul, va être attiré par l’aiguille (elle est plus légère que le pilulier, c’est donc elle qui va se déplacer).