Chimie du solide: 1.3.4-2
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Les propriétés magnétiques
Les propriétés physiques spécifiques des céramiques, liées à leur structure, sont nombreuses. En particulier, les propriétés magnétiques et thermiques sont à l'origine de nombreuses applications de ces matériaux.
Les céramiques ayant des propriétés magnétiques intéressantes sont formées d'oxydes. Elles sont appelées ferrites
(Attention ! rien à voir avec la phase α du fer). La plus anciennement connue est la
magnétite, Fe3O4.
Les cristaux de magnétite contiennent deux formes différentes du fer, des ions Fe2+
et des ions Fe3+. En fait la formule brute s'écrit :
(Fe2+)(Fe3+)2(O2-)4.
La structure cristalline de la magnétite, de type spinelle,
est basée sur un arrangement des ions oxygène en mailles cubiques à faces centrées,
les ions fer occupant certains sites interstitiels. Pour comprendre les propriétés magnétique de la magnétite
il suffit de considérer une seule des mailles cubiques à faces centrée (figure ci-dessous).
Des sites octaédriques, entourés par six ions oxygène, se trouvent dans les angles
et au centre de la maille. Un ion Fe2+ (a) et un ion Fe3+
(b) occupent deux de ces sites. L'autre ion Fe3+ (c)
occupe un site tétraédrique.
Propriétés magnétiques de la magnétite
Lorsque les cristaux de magnétites sont placés dans un champ magnétique, le moment magnétique des ions situés dans les sites octaédriques s'aligne avec le champ, alors que celui des ions situés dans les sites tétraédriques s'oppose au champ.
Le moment magnétique d'un ion Fe3+ est de 5 magnétons de Bohr (5 μB), celui des ions Fe2+ de 4 μB. Le moment magnétique résultant n'est donc pas nul, il est égal à :
moment magnétique net = (+5) + (-5) + (+4) = 4 μB
Maille élémentaire de la magnétite
Si dans la structure de type spinelle, on remplace l'ion Fe2+ par un autre ion métallique divalent (Mn2+, Co2+, Ni2+...), même si le métal pur n'est pas ferromagnétique, on obtient des ferrites ayant des propriétés magnétiques différentes, en fonction de la valeur du moment magnétique de l'ion (tableau ;µB = magnéton de Bohr).