Comment fonctionne un aimant ? Des milliards d'atomes alignés

L’aimant qui tient le mot sur la porte du réfrigérateur y est peut-être depuis dix ans. Aucune pile ne l’alimente, aucune colle ne le retient, et il tiendra encore dans dix ans. Cette force gratuite et permanente vient d’un alignement, celui de milliards de minuscules aimants portés par les atomes eux-mêmes. Voici comment cet alignement se fait, pourquoi il agit sur le fer et ignore l’aluminium, et ce qui peut l’effacer.

Chaque atome est déjà un petit aimant

Un électron ne se contente pas de porter une charge électrique : il possède aussi une propriété magnétique propre, de sorte qu’un atome, avec le cortège d’électrons qui entoure son noyau, se comporte comme une aiguille aimantée microscopique. L’Institut Néel du CNRS, laboratoire grenoblois spécialiste du magnétisme, le formule ainsi : dans la matière, les atomes peuvent être assimilés à de petits aimants.

Dans la plupart des matériaux, ces petits aimants pointent dans toutes les directions et s’annulent mutuellement. Mais quelques corps ont une particularité : leurs atomes voisins ont tendance à s’orienter spontanément dans la même direction. C’est le ferromagnétisme, et il ne concerne qu’une poignée d’éléments, le fer, le cobalt, le nickel et quelques alliages. Tous les métaux ne sont donc pas magnétiques : l’INRS le rappelle dans sa fiche sur les champs magnétiques, le cuivre et l’aluminium ne sont pas ferromagnétiques. Une canette ne colle pas, une casserole en inox parfois oui, parfois non, selon son alliage.

Notez qu’il ne se perd ni ne se gagne aucun électron dans l’affaire : contrairement à un atome devenu ion, un atome de fer aimanté garde exactement son compte d’électrons. Seule leur orientation change.

Pourquoi un clou neuf n’est pas un aimant

Si les atomes de fer s’alignent spontanément, pourquoi un clou ne colle-t-il pas à un autre clou ? Parce que l’alignement n’est pas d’un seul tenant. Le métal se découpe en petites régions, les domaines magnétiques, à l’intérieur desquelles tous les atomes pointent dans la même direction, mais qui pointent chacune dans une direction différente de sa voisine. La page de physique expérimentale Phymain, du consortium Unisciel donne l’ordre de grandeur de ces domaines : de dix micromètres à un millimètre. À l’échelle du clou entier, les contributions se compensent, et le magnétisme ne se voit pas.

Approchez maintenant un aimant : les domaines basculent et s’alignent sur le champ extérieur. Le clou s’aimante, et peut à son tour en porter un autre. Écartez l’aimant, et l’effet s’évanouit presque entièrement, car le fer doux ne retient rien. Un aimant permanent, explique l’Institut Néel, est précisément un matériau ferromagnétique dur : il conserve son aimantation après avoir subi un champ extérieur, et il est difficile à désaimanter. C’est tout l’art du fabricant d’aimants que de produire cette obstination.

Deux pôles, et aucun moyen de les séparer

Essayez de couper un aimant droit en deux pour obtenir un pôle nord d’un côté et un pôle sud de l’autre : vous obtiendrez deux aimants complets, chacun avec ses deux pôles. Puis quatre, puis huit. On descend ainsi jusqu’à l’atome, qui a lui-même deux pôles. Aucun pôle magnétique isolé n’a jamais été observé dans la nature, et c’est l’une des différences profondes entre magnétisme et électricité, où les charges positives et négatives existent bel et bien séparément.

Reste à situer la force d’un aimant sur une échelle. Le champ magnétique terrestre, celui qui oriente une boussole et qui dévie les particules solaires à l’origine des aurores boréales, est faible : de l’ordre de 50 microteslas, soit un vingt-millième de tesla, selon l’INRS. Un petit électroaimant de laboratoire monte à 0,2 tesla. L’aimant d’une IRM médicale travaille entre 1,5 et 3 teslas, et c’est pourquoi l’accès de la salle d’examen est interdit avec des clés ou un téléphone, que le champ transformerait en projectiles. Tout en haut de l’échelle, l’aimant hybride du Laboratoire national des champs magnétiques intenses à Grenoble a maintenu 42 teslas pendant une dizaine de minutes le 8 novembre 2024, dans un espace utile de 34 millimètres, annonce le CNRS.

Ce qui détruit l’aimantation : la chaleur

L’ordre magnétique a un ennemi, l’agitation thermique. Chauffez un matériau ferromagnétique, et au-delà d’une certaine température l’alignement des atomes se défait : le ferromagnétisme disparaît, le matériau devient simplement paramagnétique. Pour le fer, cette limite est de 770 °C, valeur que donnent l’Institut Néel comme Phymain. Elle porte le nom de température de Curie, d’après Pierre Curie, dont les instruments de mesure ont aussi servi aux découvertes de Marie Curie.

La démonstration est spectaculaire et tient en une minute : un fil de fer suspendu, attiré par un aimant voisin, est chauffé à la flamme ; passé le seuil, il cesse d’être attiré et retombe à la verticale. En refroidissant, il revient coller à l’aimant. Les aimants du commerce, eux, perdent leur force bien plus tôt, à des températures que le fabricant indique et qu’un four domestique atteint sans peine.

Pour voir de vos yeux la forme du champ, posez une feuille de papier sur un aimant droit et saupoudrez-la de limaille de fer : les grains dessinent les lignes qui joignent un pôle à l’autre. Deux précautions avant de jouer avec les aimants au néodyme vendus aujourd’hui pour quelques euros : ne les laissez pas se claquer l’un contre l’autre, ils éclatent et pincent la peau, et tenez-les à distance de tout dispositif médical implantable.