Le mystère des courants de surface

Suivant une démarche très progressive, nous proposons une explication simple et imagée de l’origine des courants de surface responsables du magnétisme des aimants.

Selon la vision classique du modèle de Bohr de l’atome, nous commençons par introduire la notion de courant orbital provoqué par le mouvement de l’électron autour du noyau atomique. Nous passons ensuite à la vision quantique de l’atome dans laquelle l’électron est délocalisé et est représenté par une fonction d’onde (ou nuage électronique). Nous expliquons que la fonction d’onde est un concept mathématique abstrait qui, au travers de la notion de moment cinétique, rend compte du mouvement de l’électron et donc du courant orbital. Nous montrons qu’en raison de l’appariement des électrons, un atome à nombre pair d’électrons, tel que l’atome de fer, possède un moment cinétique nul correspondant à un courant orbital nul, ce qui l’empêche de générer un champ magnétique. Nous introduisons alors le concept quantique de spin de l’électron dont nous donnons l’image classique de l’électron tournant sur lui-même. S’agissant de la rotation d’un objet chargé électriquement, celle-ci est responsable d’un courant en boucle générateur d’un champ magnétique dipolaire. Lors de leur appariement les électrons du fer (en nombre pair) se regroupent par spins opposés, ce qui correspond à un moment cinétique total nul et donc également à un courant et un champ magnétique nuls. Nous expliquons alors que dans un cristal de fer, les électrons périphériques (de valence) de deux atomes voisins interagissent en se mettant spontanément dans le même état de spin, ce qui provoque l’apparition d’un moment cinétique non-nul responsable d’un courant en boucle et donc également d’un champ magnétique dipolaire. Comme ces courants sont dus à des spins électroniques de même orientation, les atomes de fer d’un cristal portent tous un courant en boucle de même sens. Une description simple et imagée de la façon dont ces courants de même sens de rotation se superposent dans le cristal montre que le courant total est nul au sein-même du cristal alors qu’il est non-nul en surface. C’est ce courant d’origine atomique qui constitue les courants de surface dont l’existence était pressentie par Ampère plus d’un siècle avant l’avènement de la mécanique quantique.