Depuis l'antiquité, de nombreuses civilisations se sont intéressées au magnétisme. Pour certains, les premières découvertes du magnétisme viennent de l’ancienne civilisation égyptienne, la Chine ou encore la Grèce antique. Cependant, c’est à partir du XVIIe siècle que des études palpables sont faites sur le magnétisme. Comme c’est le cas en 1589 où le physicien Giambattista Della Porta parle de son observation sur le magnétisme dans son ouvrage Magia naturalis. Par la suite, des scientifiques comme Franz-Anton Mesmer et Marie Curie se sont intéressés à ce phénomène dans leurs recherches. Néanmoins, la catégorisation du magnétisme se fait avec Michael Faraday en 1845 à travers l’étude de plusieurs composants. C'est ainsi qu'il découvre qu’il y a des matières qui se dirigent en sens opposé par rapport à l’aimant lorsqu’ils sont soumis à un champ magnétique. Pour avoir plus de précisions sur cette notion, découvrez alors tout ce qu'il faut savoir à son sujet !
Le diamagnétisme représente une propriété des substances qui prennent une aimantation proportionnelle au champ lorsqu'elles sont soumises à un champ magnétique. Cependant, cette aimantation est plus faible et dirigée en sens inverse. Pour mieux comprendre cette définition, il convient d'appréhender d'abord l’histoire de ce terme.
Le phénomène de diamagnétisme commence en 1778 quand S.J Brugmans observe le bismuth et l’antimoine. Il remarque que ces matières ont été repoussées par des champs magnétiques. En septembre 1845, après plusieurs années de recherche, Michael Faraday découvre que tous les matériaux en nature ont une composante diamagnétique en réponse à un champ magnétique externe appliqué. C’est de là que naît le terme « diamagnétisme ».
Pour commencer, il faut savoir que la plupart des matières sont diamagnétiques. Toutefois, il arrive de ne pas le remarquer, car le diamagnétisme est le plus faible des trois types de magnétisme (ferromagnétisme et paramagnétisme). Dans les matériaux diamagnétiques, les moments magnétiques des électrons individuels s’annulent. Lorsqu'un matériau diamagnétique est exposé à un champ magnétique, il crée une force qui s'oppose au champ magnétique externe. Il repousse ainsi la matière du champ extérieur. Le diamagnétisme tire son origine des phénomènes quantiques (niveau de Landau) qui peuvent s'expliquer en modifiant le mouvement orbital des électrons autour du noyau.
Le diamagnétisme est une propriété de tous les matériaux et a un effet négligeable sur la réponse du matériau aux champs magnétiques. Cependant, il existe d'autres formes de magnétisme, notamment le ferromagnétisme et le paramagnétisme. Ces dernières sont si puissantes que la contribution du diamagnétisme est généralement négligeable si le matériau a plusieurs types de magnétisme. La substance sur laquelle le comportement diamagnétique a la plus forte influence est appelée matériau diamagnétique. Il s'agit de matériaux majoritairement considérés comme non magnétiques. Entre autres, vous verrez les composés organiques (l'eau, le bois, le pétrole et certains plastiques), de nombreux métaux dont le cuivre et surtout plusieurs centres tels que le mercure, l'or et le bismuth. Les métaux lourds avec des électrons sont aussi considérés comme des matériaux diamagnétiques. Les valeurs de susceptibilité magnétique des différents fragments moléculaires sont appelées les constantes de Pascal.
Les matériaux diamagnétiques tels que l'eau et les matériaux à base d'eau ont une susceptibilité magnétique de zéro ou moins. Cela s'explique par le fait que leur perméabilité relative est de 1 ou moins et la susceptibilité magnétique est définie par χv = 1 μv. Cela signifie que le matériau diamagnétique est repoussé par le champ magnétique. Cependant, le diamagnétisme est si faible que ses effets ne peuvent pas être observés dans la vie quotidienne. Par exemple, la susceptibilité magnétique des matériaux diamagnétiques tels que l'eau est χv = -9,05 × 10-6. Le matériau le plus diamagnétique est le bismuth, χv = -1,66 × 10-4, mais le carbone pyrolytique peut avoir une susceptibilité magnétique dans le plan de χv = -4,00 × 10-4. Néanmoins, ces valeurs sont des ordres de grandeur inférieurs au magnétisme des paramagnétiques et des ferromagnétiques. Étant donné que χv est dérivé du rapport du champ magnétique interne au champ magnétique appliqué, il s'agit d'une valeur sans dimension.
Les supraconducteurs peuvent être considérés comme un matériau diamagnétique complet avec une susceptibilité magnétique de -1. Comme il n'y a pas de résistance électrique, tous les champs magnétiques transportent des super courants sans apport d'énergie. Celles-ci créent un champ magnétique à l'intérieur du supraconducteur qui compense avec précision le champ magnétique externe. Cette propriété est utilisée pour réaliser la lévitation magnétique des supraconducteurs.
Les gaz d'électrons libres dilués comme dans le cas de certains métaux présentent une sensibilité négative différente de celle du magnétisme atomique. Les deux contributions sont disponibles en un seul métal. Ce phénomène a été prédit par Lev Landau, c'est pourquoi on parle parfois de diamagnétisme de Landau. Sous l'influence du champ magnétique, l'énergie des électrons est perturbée.
Il faut savoir qu’il existe plusieurs propriétés qui caractérisent les matériaux diamagnétiques. Pour commencer, ces derniers n'ont pas de dipôle atomique, car le moment magnétique net de chaque atome est nul en raison de la paire d'électrons. Étant donné que les champs magnétiques poussent faiblement la matière, ils ont tendance à se déplacer des régions fortes vers les régions faibles du champ magnétique externe avec des champs magnétiques non uniformes. Voici quelques autres propriétés des matériaux diamagnétiques :
les aimants résistent aux matériaux diamagnétiques
la force magnétisante (I) est un petit nombre négatif proportionnel au champ magnétique avec une susceptibilité magnétique négligeable
le rapport de perméabilité est légèrement inférieur à un
la température n'affecte pas les matériaux diamagnétiques. La loi de Curie ne s'applique donc pas à ces matériaux
dans un tube en U, un liquide diamagnétique enfonce le membre entre les pôles d'un aimant.
Il convient aussi de préciser que le moment dipolaire magnétique est petit et polarisé dans la direction opposée au champ magnétique H. De plus, le moment dipolaire provoqué par le déplacement du mouvement orbital des électrons dans l'atome est la cause du diamagnétisme. De plus, lorsqu'une tige de matériau diamagnétique est suspendue dans un champ magnétique homogène, elle s'immobilise avec sa longueur perpendiculaire à la direction du champ, car le champ est le plus élevé aux pôles.
Le diamagnétisme et le paramagnétisme font référence à la manière dont les objets réagissent à un champ magnétique. Alors, il faut savoir qu’il existe plus de différences entre ces deux types de champs magnétiques.
Le terme paramagnétisme fait référence à la force d'attraction d'un matériau sur un champ magnétique externe. Par contre, le diamagnétique fait recours à la répulsion d'un matériau à partir d'un champ magnétique externe. Ceci est principalement dû au fait que les matériaux paramagnétiques ont des électrons non appariés, ce qui est le contraire des matériaux diamagnétiques. C'est la différence fondamentale entre les matériaux paramagnétiques et diamagnétiques.
Ces deux notions présentent aussi une différence au niveau de leur moment magnétique. Pour ceux qui ne savent pas ce qu'est un moment magnétique, il s'agit d'une grandeur vectorielle qui permet de caractériser l’intensité d’une source magnétique. Ainsi, le moment magnétique des atomes individuels est également source de distinction entre les deux types de magnétisme. Chez les matériaux diamagnétiques, chaque atome n'a pas de moment magnétique net. Par contre, au niveau des matériaux paramagnétiques, chaque atome a son propre moment magnétique.
Il existe aussi une différence au niveau de la susceptibilité magnétique. Il s'agit d'une grandeur sans dimension qui caractérise la faculté d’un matériau à s'aimanter sous l'effet d'une excitation magnétique. La différence à ce niveau est que la susceptibilité d'un matériau diamagnétique reste constante même quand la température varie. C'est une différence majeure avec les matériaux paramagnétiques qui ont une susceptibilité positive plus importante qui diminue lorsque la température augmente.
Une autre différence importante entre les matériaux paramagnétiques et les matériaux diamagnétiques est que le champ magnétique généré par le matériau paramagnétique est dans la direction du champ magnétique externe. Alors que le champ magnétique généré par le matériau diamagnétique est opposé à la direction de ce même champ magnétique.
Le diamagnétisme est ainsi un phénomène magnétique qui est influencé par plusieurs lois comme la mécanique quantique, la lévitation et bien d’autres. Ceci dit, dans certaines conditions, il peut arriver qu’une matière diamagnétique soit démagnétisée. Cependant, ce phénomène reste l’une des plus grandes découvertes de la physique.
Le monde de l’aimant et des solutions magnétiques est parfois peu accessible pour une personne non initiée. Si notre page ne vous a pas apporté toutes les réponses souhaitées, ou si vous préférez qu’un expert réponde directement à vos questions, vous pouvez :