Pourquoi les casseroles et les éviers en inox n’attirent-ils pas les aimants ?
― Presque du fer à l’intérieur. Ce qui a changé, c’est le « rangement » des atomes
L’inox est fait à 70 % environ de fer, en masse. Pourtant, si vous posez un aimant sur l’évier de la cuisine, il ne tient presque pas. Ce qui décide si un aimant colle, ce n’est pas la présence de fer. C’est la façon dont les atomes de fer sont rangés.
Au dos du minuteur de cuisine que vous venez d’acheter, il y a un aimant. Il tient parfaitement sur la porte du réfrigérateur.
Mais posé contre la paroi en inox de l’évier, il glisse et tombe. C’est pourtant un métal, et même de la famille du fer.
Plus étrange encore : dans un angle de l’évier, ou sur le bord plié, l’aimant accroche un tout petit peu. Pourtant, c’est la même plaque : cela change selon l’endroit.
Deux raisons seulement
Chaque atome de fer est un minuscule aimant. Dans le fer ordinaire, tous s’orientent dans le même sens. Quand on ajoute du nickel à l’inox, le rangement des atomes change et leurs orientations ne s’alignent plus.
Là où l’on plie fortement, le rangement des atomes est forcé de bouger. Une partie prend alors un arrangement qui attire les aimants. C’est pourquoi l’aimant accroche seulement dans l’angle de l’évier.
Autrement dit, la force magnétique dépend moins de la « matière » des atomes que de leur « esprit d’équipe ». Voyons cela point par point.
Les petits aimants des atomes ne comptent que s’ils sont alignés
Dans un atome de fer, des électrons tournent comme des toupies. Cette rotation fait de chaque atome un petit aimant, comme l’aiguille d’une boussole. Dans le fer ordinaire, les atomes voisins s’attirent fortement pour se mettre dans le même sens. Des milliers de milliards d’atomes s’alignent donc, et attirent fortement un aimant approché de l’extérieur.
Le rangement des atomes joue ici un rôle clé. Dans le fer ordinaire, les atomes occupent les coins d’un cube et un point en son centre. Dans l’inox le plus courant, le « 18-8 » (18 % de chrome, 8 % de nickel), le nickel impose un rangement plus compact : les atomes occupent les coins du cube et le centre de chaque face. Dans ce rangement, les atomes voisins ont du mal à s’aligner. Leurs orientations restent désordonnées, et le magnétisme d’ensemble s’annule presque entièrement (fig. 1).
Détail amusant : le nickel seul est un métal qui attire les aimants. On mélange un fer magnétique avec un nickel magnétique, et le mélange ne l’est plus. C’est la meilleure preuve que le magnétisme dépend du « rangement » et non d’une simple addition de matières.
Même en inox, certains types et certains endroits attirent l’aimant
Il existe aussi un inox sans nickel, le « 18-0 » (18 % de chrome seulement). Ses atomes sont rangés comme dans le fer ordinaire, donc il attire bien les aimants. On le trouve souvent dans les cuillères bon marché et dans le fond des casseroles pour plaques à induction. L’induction chauffe en faisant tourner des courants en tourbillon dans un métal magnétique : une casserole qui n’attire pas l’aimant chauffe donc mal.
Pour le 18-8, c’est différent aux endroits fortement pliés ou emboutis. Quand une force déplace le rangement des atomes, une partie bascule vers l’arrangement qui attire les aimants. C’est pourquoi l’aimant accroche faiblement dans l’angle d’un évier, au col coudé d’une cuillère ou sur le bord d’une casserole. En faisant glisser l’aimant, on sent une « résistance » seulement là où le pli est marqué.
On entend parfois dire que « ce qui attire l’aimant n’est pas de l’inox ». C’est faux. Certains inox, comme le 18-0, attirent très bien les aimants. Ce qui rend l’inox résistant à la rouille, c’est surtout le chrome : une pellicule extrêmement fine se forme en surface et protège l’intérieur. Attirer l’aimant ou non est une propriété indépendante de la résistance à la rouille.
Même le fer cesse d’attirer les aimants quand on le chauffe
L’alignement des atomes dépend aussi de la température. Quand elle monte, les atomes s’agitent de plus en plus et résistent à la force qui les aligne avec leurs voisins. Pour le fer, au-dessus d’environ 770 ℃, l’alignement disparaît complètement et il n’attire plus les aimants. Cette température s’appelle la « température de Curie ». Changez la température avec le curseur de la figure 2. Le degré d’alignement chute brusquement un peu après 700 ℃ et tombe à 0 à 770 ℃.
Si l’on chauffe encore, au-delà d’environ 910 ℃, les atomes du fer se réarrangent dans le même rangement compact que le 18-8. On peut voir le 18-8 comme un métal où le nickel a conservé jusqu’à température ambiante le « rangement du fer chaud ».
En résumé
Si la plupart des inox n’attirent pas les aimants, ce n’est pas que le fer en ait été retiré. L’ajout de nickel a changé le rangement des atomes, et leurs petits aimants ne parviennent plus à s’aligner. Le 18-0, rangé comme le fer, attire l’aimant ; le 18-8 l’attire un peu aux endroits pliés. Et le fer lui-même cesse d’attirer les aimants au-dessus de 770 ℃, quand l’alignement s’effondre.
La force magnétique dépend non du « nombre » d’atomes, mais de leur « alignement ».
Changez le rangement, et même le fer oublie le magnétisme.
Les propriétés de l’aimant lui-même sont détaillées dans Si l’on coupe un aimant en deux, obtient-on un aimant avec seulement un pôle nord ? Pour les couleurs du fer chauffé, voyez Comment un forgeron connaît-il la température du fer sans thermomètre ? Et pour un sujet lié à la résistance de l’inox à la rouille, lisez aussi Pourquoi le fer rouille-t-il ?
- Détachez un aimant du réfrigérateur et posez-le sur une surface plate de l’évier. Il ne devrait presque pas tenir. Faites-le ensuite glisser lentement vers un angle ou un bord plié de l’évier, et cherchez où il accroche.
- Essayez-le sur le manche d’une cuillère ou d’une fourchette. Certains attirent l’aimant, d’autres non, et d’autres seulement au col coudé. Si le dessous du manche porte une inscription « 18-8 » ou « 18-0 », comparez avec ce que vous observez.
- Essayez aussi le fond des casseroles et des poêles. Si seul le fond attire l’aimant, c’est souvent qu’on y a collé un métal magnétique pour que la casserole fonctionne sur induction.
Un aimant très puissant (au néodyme) peut être légèrement attiré même par du 18-8. Un petit aimant de frigo montre mieux la différence. N’essayez pas sur une casserole qui vient de chauffer.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules, lien avec les manuelsDu collège à l’université : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeNiveau du programme de sciences au collège
- LycéeNiveau des cours de « physique » et de « chimie » du lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- UniversitéContenu de cours universitaires (physique du solide, science des matériaux métalliques) non vu au lycée
- RechercheQuestions que les chercheurs étudient encore, non enseignées comme acquises, même à l’université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Ferromagnétisme : propriété des métaux comme le fer, le nickel et le cobalt, dont les petits aimants atomiques s’alignent spontanément et qui sont fortement attirés par un aimant.
- Réseau cubique centré et réseau cubique à faces centrées : deux façons de ranger les atomes. Dans le premier, ils occupent les coins et le centre du cube ; dans le second, les coins et le centre de chaque face. Le fer ordinaire suit le premier, l’inox 18-8 le second.
- Inox austénitique : inox au rangement cubique à faces centrées. Le 18-8 (par exemple le SUS304 de la norme japonaise JIS) en est l’exemple type ; il n’attire presque pas les aimants.
- Température de Curie : température à laquelle le ferromagnétisme disparaît. Pour le fer, elle est d’environ 770 ℃.
CollègeLycéeVérifier par le calcul : de combien la force d’attraction diffère-t-elle entre le fer et le 18-8 ?
On estime la force d’attraction sur un bloc de métal d’un centimètre cube approché de la surface d’un aimant puissant. Le nombre qui dit à quel point un matériau est sensible à l’aimant s’appelle la « susceptibilité magnétique » (symbole χ). La force lui est directement proportionnelle.
| En symboles | F ＝ （χ × V ÷ μ0） × B × （ΔB ÷ Δx） |
| En mots | force d’attraction ＝ susceptibilité × volume ÷ perméabilité du vide × intensité du champ × vitesse à laquelle le champ s’affaiblit avec la distance |
| D’où vient cette formule | L’énergie magnétique d’un objet aimanté dans un champ est plus basse là où le champ est fort. L’objet est poussé vers l’énergie la plus basse, donc vers l’aimant. La pente de cette « colline d’énergie » est la force. |
| Sens des symboles et unités | F est la force (N), V le volume (m³), B l’intensité du champ (tesla), Δx la distance (m) |
| Champ B à la surface d’un aimant puissant | environ 0,4 tesla |
| Vitesse d’affaiblissement du champ (on suppose qu’il s’annule en 1 cm) | 40 teslas par mètre |
| 1 ÷ μ0 (inverse de la perméabilité du vide) | environ 800000 |
| Volume V (1 centimètre cube) | 0,000001 m³ |
| Susceptibilité effective d’une plaque de fer | environ 1 (le magnétisme propre du fer s’annule et atteint une limite fixée par la forme) |
| Susceptibilité du 18-8 | de l’ordre de 0,003 à 0,01 (ici 0,005) |
| Champ × vitesse d’affaiblissement | 0,4 × 40 ＝ 16 |
| Division par μ0 (multiplication par 800000) | 16 × 800000 ＝ 12800000 |
| Multiplication par le volume d’1 cm³ | 12800000 × 0,000001 ＝ 12,8 |
| Force d’attraction du fer (susceptibilité 1) (N) | 12,8 × 1 ＝ 12,8 |
| Conversion en poids (kg) | 12,8 ÷ 9,8 ≒ 1,3 |
| Force d’attraction du 18-8 (susceptibilité 0,005) (N) | 12,8 × 0,005 ＝ 0,064 |
| Conversion en poids (kg) | 0,064 ÷ 9,8 ≒ 0,0065 |
| Combien de fois le fer dépasse le 18-8 | 12,8 ÷ 0,064 ＝ 200 |
Pour un bloc de même taille, le fer est attiré avec une force équivalant à environ 1,3 kg, contre environ 6,5 g seulement pour le 18-8. L’écart est d’environ 200 fois. Un aimant de frigo est encore plus faible : sur du 18-8, il ne peut pas porter son propre poids et tombe. Ces valeurs ne sont que des ordres de grandeur pour comprendre le mécanisme.
LycéeLycée+Structure cristalline et magnétisme né de la déformation
LycéeEn chimie, on étudie trois réseaux cristallins des métaux : cubique centré, cubique à faces centrées et hexagonal compact. Le réseau cubique à faces centrées a une compacité d’environ 74 %, plus dense que les 68 % du cubique centré. Vers 910 ℃, le fer subit une « transformation allotropique » du cubique centré au cubique à faces centrées.
Lycée+Quand on plie fortement du 18-8 à température ambiante, une partie du cubique à faces centrées se change en une structure proche du cubique centré, appelée « martensite d’écrouissage ». Cette zone est ferromagnétique, donc faiblement attirée par un aimant. Un traitement thermique (mise en solution) la ramène au cubique à faces centrées, et elle n’attire plus l’aimant.
UniversitéInteraction d’échange et température de Curie
La force qui aligne les petits aimants atomiques est l’« interaction d’échange » entre électrons. Cet effet naît du principe d’exclusion de Pauli, en mécanique quantique, et il est bien plus fort que les forces entre aimants classiques. Dans le fer métallique, les électrons circulent entre les atomes ; on utilise donc la vision du « magnétisme itinérant » de la théorie des bandes, où le ferromagnétisme dépend de la satisfaction du « critère de Stoner ». Si la distance ou le rangement des atomes change, ce critère peut ne plus être satisfait. Au-dessus de la température de Curie, la susceptibilité décroît en proportion inverse de la température : c’est la « loi de Curie-Weiss ». La courbe de la figure 2 est tracée avec l’approximation de Kuz’min, qui colle bien aux mesures.
📖 Démonstrations de la formule et suites : Température de Curie (Wikipédia en japonais) ／ Ferromagnétisme (Wikipédia en japonais)
RechercheCe que l’on ne comprend pas encore bien
- Que se passe-t-il vraiment dans le magnétisme du fer cubique à faces centrées ? On pense que le fer pur de ce type est, à basse température, proche d’un état « antiferromagnétique » où les orientations alternent. Mais ses propriétés varient beaucoup avec la distance entre atomes, et le tableau d’ensemble est encore débattu.
- Jusqu’à quel point plier rend-il le métal magnétique ? La formation de martensite d’écrouissage varie fortement avec la température, la vitesse de déformation et de légères différences de composition. On cherche encore un modèle qui la prédise avec précision.
- Peut-on obtenir par la seule théorie la forme de la courbe de l’aimantation en fonction de la température ? L’approximation de la figure 2 a été ajustée sur des mesures. Calculer avec précision, à partir des premiers principes, la courbe d’un métal comme le fer reste un problème difficile.
Cet article décrit donc « ce que l’on sait aujourd’hui ». Même dans l’évier que vous touchez chaque jour, des questions non résolues de la physique sommeillent.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : aimants et champ magnétique, propriétés des métaux | Métaux qui attirent ou non les aimants |
| Lycée | Chimie : réseaux cristallins des métaux / Physique : champ magnétique | Différence de rangement de la fig. 1, formule de la force |
| Lycée+ | Chimie approfondie : alliages et transformation allotropique | Différence 18-8 / 18-0, magnétisme des zones pliées |
| Université | Physique du solide, science des matériaux métalliques | Interaction d’échange, critère de Stoner, température de Curie |
| Recherche | Physique du magnétisme, science des matériaux | Magnétisme du fer cubique à faces centrées, prédiction de la transformation par déformation |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Choisir une casserole compatible induction, lire les poinçons sur la vaisselle |
- Acier inoxydable (Wikipédia en japonais)
- Austénite (Wikipédia en japonais)
- Japan Stainless Steel Association (ステンレス協会), éd., 『ステンレス鋼便覧』 (Manuel de l’acier inoxydable), Nikkan Kogyo Shimbun
- Kondo Chikanobu (近角聰信), 『強磁性体の物理（上）』 (Physique des ferromagnétiques, vol. 1), Shokabo (裳華房)
- M. D. Kuz'min, "Shape of Temperature Dependence of Spontaneous Magnetization of Ferromagnets: Quantitative Analysis", Physical Review Letters 94, 107204 (2005)
* Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur et des estimations pour comprendre le mécanisme. Pour la matière d’un produit ou sa compatibilité avec la cuisson, vérifiez les indications de chaque produit.