Le secret est dans l'électron

Le courant qui fait tourner la boussole

En 1820, le Danois Hans Christian Ørsted fait passer un courant dans un fil, près d'une boussole : l'aiguille tourne. L'électricité qui circule crée du magnétisme. Deux mois plus tard, à Paris, André-Marie Ampère va plus loin : et si un aimant contenait lui-même des courants électriques, minuscules, cachés dans la matière ?
Il avait en partie vu juste, un siècle avant que l'on puisse le vérifier : le magnétisme d'un aimant vient bien de ses électrons. Et des charges immobiles, comme celles de l'électricité statique du cours Foudre et statique ? Elles n'ont aucun effet magnétique : il faut des charges en mouvement, ou l'aimant propre à chaque électron (écran suivant).Ampère présente son idée à l'Académie des sciences le 18 septembre 1820, puis parle en 1827 de « courants particulaires » dans la matière aimantée.

Chaque électron est un minuscule aimant

L'électron porte une charge électrique, et il se comporte aussi comme un aimant minuscule, avec son nord et son sud : c'est son spinUne propriété de l'électron, comme sa charge ou sa masse. Dans un champ magnétique, il ne peut prendre que deux orientations : « haut » ou « bas »., une propriété quantique (cours Physique quantique, en lien en fin de page). On l'imagine volontiers comme une toupie chargée qui tourne sur elle-même ; l'image aide, mais l'électron ne tourne pas vraiment : son aimantation fait partie de lui, comme sa charge.
Dans un atome, les électrons se rangent le plus souvent par paires, l'un « haut », l'autre « bas » : leurs petits aimants s'annulent.

• le cuivre a sa couche « 3d » pleine, toutes ses paires complètes ; son électron le plus externe part rejoindre les électrons libres du métal, ceux du courant électrique. Aucun aimant ne dépasse de l'atome ;
• le fer garde plusieurs électrons sans partenaire dans sa couche « 3d » : chaque atome de fer est un petit aimant.

Pourquoi les voisins s'alignent

Des atomes aimantés ne suffisent pas : encore faut-il qu'ils regardent tous dans le même sens. Dans le fer, le cobalt et le nickel, un effet quantique, l'interaction d'échangeElle vient de la façon dont les électrons de deux atomes voisins se partagent l'espace, selon les règles de la physique quantique. Rien à voir avec l'attraction entre deux petits aimants : celle-ci n'alignerait les atomes qu'à quelques degrés du zéro absolu, alors que le fer reste ordonné jusqu'à 770 °C., pousse chaque atome à aligner son aimant sur celui de ses voisins. C'est elle qui maintient l'ordre jusqu'à des centaines de degrés (chapitre 4).
Dans le chrome, au contraire, les voisins se placent tête-bêche : leurs aimants s'annulent deux à deux. Ce comportement, l'antiferromagnétisme, a été décrit par le Français Louis Néel, prix Nobel de physique en 1970.L'interaction d'échange a été proposée par Werner Heisenberg en 1928. Elle donnait enfin une raison au « champ moléculaire » que Pierre Weiss avait imaginé en 1907 (chapitre 3).

À peine attirés, à peine repoussés : tous les autres

Les autres corps ne sont pas tout à fait indifférents aux aimants : l'effet est simplement trop faible pour un aimant de cuisine.

• paramagnétiques, à peine attirés : l'aluminium, le platine, l'oxygène. Certains de leurs électrons gardent un petit aimant libre, mais rien ne les aligne entre voisins : un aimant n'en oriente qu'une poignée, le temps qu'il est là ;
• diamagnétiques, à peine repoussés : le cuivre, l'eau, le carbone. Leurs électrons, tous par paires, réagissent au champ en créant un petit champ contraire.

Un champ de 0,5 tesla creuse la surface de l'eau de quelques dizaines de micromètres : c'est l'« effet Moïse ». Et comme votre corps est surtout fait d'eau, vous êtes, vous aussi, très faiblement repoussé par un aimant (chapitre 8 : la grenouille qui lévite).