Commençons par le début: les atomes. Toute matière est constituée d'atomes. Par exemple, votre corps contient environ 5 milliards de milliard de milliard d'atomes (5 fois 10^27). Il existe plusieurs types d'atomes qui sont classifiés par élément. Par exemple l'atome de carbone, l'atome de fer, l'atome d'hydrogène, l'atome d'oxygène, etc.
Quelle est la différence entre ces atomes? Et bien c'est leur constitution. En effet un atome est lui-même composé d'un certain nombre de protons, de neutrons et d'électrons. Les neutrons, comme leur nom l'indique sont neutres. Les protons par contre, sont des particules chargées qui portent une charge électrique de même grandeur que la charge d'un éléctron, mais de signe opposé. Donc un proton et un électron s'attirent! C'est d'ailleurs pour cette raison que les protons et les neutrons sont au centre de l'atome dans une région que l'on nomme le noyau et que les électrons orbitent autour de ce noyau. Donc un électron ressemble un peu à la Terre qui orbite autour du Soleil sous l'effet d'une force attractive.
L'électron possède trois propriétés fondamentales: une masse, une charge et un spin. La dernière de ces propriétés, le spin, est une propriété très remarquable. Son existence et son comportement sont très précisement décrits par une théorie que l'on nomme la «mécanique quantique» et qui est l'une des théories les plus précises et puissantes de la physique moderne. En simplifiant un peu on peut s'imaginer que le spin représente le degré et le sens de rotation de l'électron sur lui-même. Il s'avère que tous les électrons ont un spin de même grandeur: 1/2 en unité de la constante de Planck hbar. Par contre, la direction de rotation et donc l'orientation du spin vu comme un vecteur, peut varier. Plus important encore pour comprendre les aimants, est le fait que le spin est associé à un minuscule aimant. Pourquoi? Et bien c'est dû au fait très fondamental qu'une charge en mouvement crée un champ magnétique! Si l'on s'imagine un électron comme une (très) petite boule chargée en rotation sur elle-même alors il est clair que cela doit produire un champ magnétique. Donc l'électron est un minuscule aimant élémentaire!
Mais pourquoi alors existe-t-il des matériaux avec différentes propriétés magnétiques?
Pour comprendre cela il faut se rappeler que différents matériaux sont faits d'éléments contenant un différent nombre d'électrons. Un élément neutre (de charge électrique totale nulle) doit nécessairement contenir autant d'électrons que de protons. Comment se comportent les spins de tous ces électrons? Dans le détail, c'est une question très compliquée qui est le sujet de tout un domaine actuel de recherche scientifique! La raison pour laquelle c'est si compliqué, c'est que les aimants associés aux spins interagissent entre eux en plus de l'interaction entre les charges des électrons! Ce qui est sûr toutefois, et qui va nous permettre de comprendre approximativement l'origine du magnétisme, c'est que deux spins ont généralement tendance à s'orienter dans des directions opposées. Pouquoi? Prenez deux aimants et mettez-les côte-à-côte. Lorsqu'ils pointent dans la même direction ils se repoussent alors que lorsqu'ils pointent dans des directions opposées ils s'attirent. Lorsque deux spins de deux électrons voisins sont anti-alignés, c'est-à-dire lorsque leurs spins pointent dans des directions opposéess, les champs magnétiques dûs à leurs petits aimants se compensent et s'annulent à grande distance. Donc vu de loin, il n'y a plus de champs magnétique! Un matériau fait d'un élément dans lequel tous les spins de tous les électrons forment des paires de ce genre, est ce qu'on appelle diamagnétique: il ne possède pas de moment magnétique permanent et n'est donc pas un aimant! En fait, si l'on approche un aimant d'un tel matériau il y aura même une faible répulsion peu importe le sens du champs magnétique de l'aimant! Ce type de magnétisme est présent dans la plupart des matériaux, comme par exemple le carbone, le cuivre, etc.
Mais que se passe-t-il par exemple dans un matériau fait d'un élément avec un nombre impair d'électrons par atome? Dans ce cas, il est clair qu' au moins un électron par atome ne pourra pas former de paire! Dans certains matériaux dits paramagnétiques, l'orientation des spins des électrons non-apparié à température ambiante et en l'absence d'un champ magnétique externe, est aléatoire et le matériau isolé ne présente pas de magnétisme. Par contre, si l'on place un tel matériau dans un champ magnétique, les spins des électrons non appariés vont s'orienter dans la direction du champ et le matériau devient magnétique! Si l'on approche un aimant d'un tel matériau il y aura cette fois attraction! L'alumium est un exemple d'un matériau paramagnétique.
Dans d'autres matériaux, l'alignement des spins des électrons non-appariés peut subsister même après avoir éteint le champ magnétique externe (ou éloigné l'aimant). On parle alors de ferromagnétisme. Un exemple bien connu de cette catégorie est le fer: prenez deux trombonnes en fer non magnétisé. Pour voir qu'ils ne sont pas magnétisés, démontrez qu'ils ne s'attirent pas. Ensuite approchez un aimant suffisemment près d'un des deux trombones en prenant bien soins de mettre l'autre hors de porté de l'aimant. Le trombone qui a été mis en contact avec l'aimant est devenu magnétique et attire à présent l'autre trombone!
Un aimant n'est autre qu'un matériau ferromagnétique «dur» qui garde sa magnétisation de façon quasi permanente. Il est généralement fabriqué en présence d'un fort champ magnétique généré à l'aide d'un électro-aimant.
Voilà j'espère que ces quelques éléments vous seront utiles. Comme vous le savez sûrement il existe sur internet un nombre croissant de bonnes descriptions du magnétisme et des aimants. Par exemple sur: http://en.wikipedia.org/wiki/Magnet
