POURQUOI LE FER EST MAGNÉTIQUE

POURQUOI LE FER EST M AGNÉTIQUE
À question simple, réponse Compliquée
1- Règle de Klechkowski
La répartition des électrons par niveaux dans les atomes obéit à la règle de Klechkowski : 1s 2s 2p 3s
3p 4s 3d etc.
La structure des électrons les plus loin du noyau du fer est donc 3 d6. Or, les orbitales d peuvent contenir 5 cases
de deux électrons appariés en spins opposés. Par la règle de Hund, 4 électrons se mettent seuls dans 4
cases avec la même aimantation. Cela explique que l’atome de fer est magnétique même dans les composés, où
le fer n’est pas métallique. Ainsi les globules rouges qui contiennent du fer sont attirés par un aimant (IRM
fonctionnelle). La règle de Hund vient du principe d’exclusion de Pauli. De tels électrons sont forcés d’être loin
les uns des autres ce qui diminue l’énergie potentielle de répulsion électrostatique. Voir ci-dessous le paragraphe
4.
2- Fer métallique
D’une manière générale les métaux de transitions peuvent compter beaucoup d’électrons dans la couche d, qui
est pour eux périphérique, et donc qui fournit leurs électrons de conduction. Le fer métal a 6 électrons dans
cette orbitale d, qui deviennent tous électrons de conduction. Donc, il y a aura dans le fer métallique un grand
nombre d’électrons délocalisés participant à la conduction.
3- Grande densité d’électrons de conduction dans le fer métallique
Les orbitales d sont très peu étendues par rapport aux orbitales s ou p. Les électrons ont donc peu de place à
l’intérieur pour circuler. Ces orbitales d sont tout de même de plus en plus étendues lorsque le numéro de la
couche électronique n augmente. L’orbitale d du fer est la première (niveau 3), donc est l’orbitale d la plus
petite. D’autre part, le couplage spin-orbite qui croît avec n élargit la structure de bande, donc le volume de
l’orbitale d. En conclusion, les électrons du fer (et du cobalt et du nickel) ont peu de place où circuler car ils sont
nombreux et les orbitales où ils peuvent se promener ont un faible volume.
D’autre part, l’atome de fer a déjà un gros volume, tout en ayant comme on l’a vu ci-dessus une orbitale d
mince. Or le fait que l’atome de fer ait un gros volume fait que dans le fer métallique, les atomes sont assez loin
les uns des autres. Donc les électrons de conduction ont du mal à sauter d’un atome à un autre, ce qui fait que
la bande de conduction obtenue par le recouvrement des orbitales d de tous les atomes est pour ainsi
dire, pincée, entre les atomes (le recouvrement des fonctions d’ondes est faible), ce qui laisse encore moins de
place pour circuler aux électrons.
La conclusion de tout cela, est que les électrons de conduction du fer ont une très forte densité. En effet, à
cause du 2- ils sont nombreux, et à cause du 3- ils ont peu de place où circuler. Ils sont donc amenés à circuler
très près les uns des autres, donc à interagir fortement entre eux, et nous allons voir que c’est à cause de cela
que le fer est magnétique, comme le cobalt et le nickel.
4- Le modèle de Stoner du ferromagnétisme itinérant
À cause du principe d’exclusion de Pauli, deux électrons ne peuvent pas être dans le même état quantique. Donc,
si ils ont des spins parallèles et de même sens, donc la même aimantation, ils sont obligés de rester loin les uns
des autres.
S’ils ont des spins opposés, donc deux aimantations qui s’annulent, ils peuvent se rapprocher autant qu’il
veulent. Si les électrons ont des spins opposés, se rapprochant très près les uns des autres, alors qu’ils sont tous
chargés négativement, cela entraîne une forte énergie potentielle électrostatique. S’ils ont des aimantations qui
s’ajoutent, ils restent loin et l’énergie potentielle électrostatique est faible. Il devient donc favorable
énergétiquement que les électrons de conduction se regroupent en domaines où ils ont tous une aimantation
qui a la même direction et le même sens, ce qui est la caractéristique d’un corps ferromagnétique donc très
fortement aimantable. Quand on aimante le fer métallique, les électrons de domaines différents prennent tous
la même orientation, soit par retournement de tous les électrons d’un domaine en bloc, soit par croissance des
domaines orientés dans le bon sens par rapport aux autres. Cet effet de Stoner qui explique le magnétisme
des électrons de conduction marche uniquement si les électrons sont forcés à être près les uns des autres,
pour que seul le principe d’exclusion de Pauli les force à avoir la même aimantation pour qu’ils puissent
s’éloigner et ainsi diminuer l’énergie potentielle électrostatique de répulsion. Il marche donc uniquement quand
il y a une forte densité d’électrons de conduction. C’est le cas du fer, du cobalt et du nickel.
5- Conclusion
Pour parler simplement, le fer a beaucoup d’électrons libres qui assurent le passage du courant électrique, et ils
ont peu d’espace où circuler. Ces électrons forment donc un gaz tellement comprimé qu’il faut plutôt penser à
un liquide. Cette compression oblige, par un effet quantique et de répulsion électrique, les petits aimants
constitués par chaque électron à s’aligner dans le même sens, ce qui donne un fort effet magnétique au fer.
C’est un peu comme si les électrons qui conduisent le courant électrique étaient à l’état gazeux dans le cuivre
ou le zinc par exemple, qui ne sont pas magnétiques, et à l’état liquide (ou plutôt cristal liquide) dans le fer, le
cobalt ou le nickel, qui sont magnétiques.
Si on chauffe du fer au-dessus de la température de Curie (770 °C pour le fer, 1131°C pour le cobalt et 358 °C
pour le nickel), les électrons changent d’état et forment un gaz. L’agitation thermique est alors plus efficace que
l’effet quantique pour éloigner les électrons, et ils n’ont plus besoin de s’aligner. Le fer cesse d’être magnétique.
6- Remarque : cas du cuivre et du zinc
De toute façon, pour le cuivre et le zinc (le cuivre suit juste le nickel), l’orbitale 3d est pleine avec 10 électrons.
Ses électrons ne peuvent plus alors participer à la conduction, car il n’y a pas d’état quantique de disponible dans
la bande pour un électron d’énergie légèrement supérieure. Ils n’ont plus aucun effet magnétique non plus, car
ils s’apparient deux à deux en spins opposés.
Les atomes qui n’ont pas d’électrons de conduction dans une orbitale d, comme l’aluminium par exemple, ont
peu d’électrons de conduction qui ont beaucoup d’espace pour circuler. Ils ne sont donc jamais magnétiques.