Aimants à hautes et basses températures : une analyse complète de la façon dont la température affecte le magnétisme

Les aimants sont présents dans tous les aspects de notre vie : des aimants de réfrigérateur aux moteurs de voitures électriques, des appareils d’IRM aux éoliennes. Mais saviez-vous qu’une infime variation de température peut modifier considérablement les propriétés d’un aimant ? La relation entre température et magnétisme est une lutte éternelle entre l’ordre et le chaos dans le monde microscopique.

Pourquoi les aimants sont-ils si sensibles à la température ?

Les aimants sont magnétiques car leur structure atomique interne contient des électrons non appariés. Dans certaines conditions, les moments magnétiques de ces électrons s'alignent pour former une structure de domaine magnétique ordonnée, ce qui confère à l'aimant un magnétisme macroscopique. Lorsque la température varie, ces structures microscopiques se modifient également, ce qui affecte les performances de l'aimant.

Premièrement, la température élevée est un « perturbateur » du magnétisme.

Lorsqu'un aimant est exposé à une température élevée, son ordre interne se désintègre progressivement :

Démagnétisation progressive

L’augmentation de la température provoque une vibration violente des atomes de l’aimant, les domaines magnétiques commencent à s’organiser en désordre et le magnétisme s’affaiblit progressivement12.

Les aimants en néodyme ordinaires commencent à subir une perte magnétique réversible lorsqu'ils dépassent 80 °C (environ 0,11 % de force est perdue pour chaque augmentation de 1 °C).

Dommages irréversibles

Si la température est bien supérieure à la température de fonctionnement mais inférieure au point de Curie, cela peut entraîner une perte irréversible (une remagnétisation est nécessaire pour la récupération).

Le dépassement de la température de Curie entraînera une démagnétisation permanente et le magnétisme ne pourra pas être restauré même s'il est refroidi.

Au contraire, la basse température a un effet plus favorable sur les aimants

(i) Magnétisme amélioré

Contrairement aux températures élevées, les environnements à basse température renforcent généralement le magnétisme des aimants. En effet, l'agitation thermique des atomes est affaiblie à basse température, la structure du domaine magnétique est plus stable et l'agencement des moments magnétiques est plus ordonné. Par exemple, dans certains équipements expérimentaux à basse température, on constate que le magnétisme des aimants est plus fort qu'à température ambiante. Ce phénomène est particulièrement évident dans certains matériaux magnétiques spéciaux, tels que certains aimants permanents à base de terres rares, qui peuvent conserver des propriétés magnétiques élevées à basse température.

(ii) Augmentation de la fragilité du matériau

Bien que les basses températures puissent renforcer le magnétisme des aimants, elles ont également un effet néfaste sur leurs propriétés physiques. À basse température, le matériau de l'aimant devient plus fragile et plus facile à briser. En effet, les basses températures renforcent la force intermoléculaire du matériau, tandis que le mouvement thermique des atomes est affaibli, ce qui entraîne une diminution de la ténacité du matériau.

(iii) Stabilité améliorée de la structure du domaine magnétique

À basse température, la structure des domaines magnétiques à l'intérieur de l'aimant est plus stable. Cela s'explique par l'affaiblissement du mouvement thermique des atomes à basse température, la disposition des domaines magnétiques plus ordonnée et la direction des moments magnétiques plus constante. Cette structure stable permet à l'aimant de conserver un fort magnétisme à basse température, tout en réduisant les variations désordonnées de sa structure.

Enfin, les différents matériaux magnétiques réagissent très différemment à la température en raison de différences de composition et de structure :