Température de Curie du fer

Cette expérience un peu délicate à réaliser montre que les propriétés ferromagnétiques du fer (le ferromagnétisme est la propriété pour un métal d’être attiré par le champ magnétique d’un aimant) disparaissent au-delà d’une certaine température appelée « température de Curie ».

Fiche d’accompagnement de l’expérience:
 

Matériel
  • du fil de fer (diamètre approximatif : 1 mm ; longueur : environ 20 cm) ;
  • un bec Bunsen ;
  • des supports de laboratoire.

Montage et réalisation

Tordre l’extrémité d’un fil de fer pour former un anneau de diamètre intérieur supérieur à celui de la tige support.
Suspendre ensuite le fil de fer par cet anneau sur la tige support horizontale, et vérifier que le fil de fer peut osciller librement.
Placer un aimant à proximité de telle sorte qu’il attire la tige de fer sans la toucher (distance d’environ 1 cm).
Chauffer au rouge l’extrémité libre du fil de fer dans la flamme d’un bec Bunsen.
Lorsque sa température dépasse la température de Curie, le fil de fer revient à sa position verticale.
Après avoir refroidi, le fil de fer est attiré à nouveau par l’aimant. Attention à ne surtout pas chauffer l’aimant qui pourrait être détérioré (voir les remarques).

Explications

Les matériaux ferromagnétiques comme le fer sont fortement attirés par un aimant permanent placé à courte distance.
Cette attraction résulte de l’existence de petits domaines (taille comprise entre 10 μm et 1 mm) appelés domaines de Weiss. Dans ces domaines de Weiss les moments magnétiques élémentaires sont tous parallèles (aimantation spontanée).
Lorsqu’on introduit un matériau ferromagnétique dans un champ magnétique (par exemple celui qui est créé par un aimant permanent), les domaines de Weiss dont l’aimantation est parallèle au champ magnétique extérieur grossissent au détriment de ceux qui ont une direction d’aimantation différente. Ceci entraîne la formation d’un aimant macroscopique dont l’aimantation est parallèle au champ magnétique imposé.
Il en résulte une force magnétique attractive entre l’aimant permanent et le matériau ferromagnétique.

Le ferromagnétisme disparaît à une température supérieure à la température de Curie du matériau (770°C pour le fer) car l’augmentation de l’agitation thermique s’oppose à l’aimantation spontanée. Au-delà de la température de Curie le matériau est paramagnétique : il est encore attiré par l’aimant mais la valeur de la force qu’il subit est très inférieure à celle qui existait lorsque le matériau était ferromagnétique. La force attractive subie par le fil de fer chauffé ne suffit plus pour l’incliner. Le ferromagnétisme du fer réapparaît après refroidissement.

Remarques

On peut désaimanter un aimant en le chauffant puisque les domaines de Weiss disparaissent au-delà de la température de Curie. Les domaines dans lesquels les aimants élémentaires sont parallèles sont détruits lors du chauffage. Au refroidissement les aimants élémentaires s’orientent au hasard, entraînant la disparition de l’aimantation macroscopique qui existait auparavant (voir à ce propos l’expérience « Désaimanter par chauffage »).

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