Outre la boussole, qui est peut-être la plus ancienne utilisation du magnétisme, celui intervient dans de nombreuses technologies. L'imagerie par résonance magnétique (IRM) exploite les propriétés magnétiques des noyaux atomiques du corps humain pour produire des images détaillées des organes et des tissus. Les trains à lévitation magnétique (Maglev) utilisent de puissants aimants pour flotter au-dessus des rails, permettant des vitesses très élevées avec un minimum de friction (plusieurs lignes sont déjà opérationnelles en Chine, au Japon et en Corée du Sud). De nombreux composants électroniques, comme les inductances et les transformateurs, sont basés sur les principes du magnétisme. En fait, ds haut-parleurs aux fermetures de sacs à main, en passant par les plaques à induction et les aimants de réfrigérateur, le magnétisme est omniprésent dans nos objets de tous les jours.

Concepts fondamentaux du magnétisme

• Le moment cinétique orbital. - En se déplaçant autour du noyau, les électrons, qui sont des charges négatives, créent une minuscule boucle de courant. Cette boucle de courant génère un champ magnétique, appelé moment magnétique orbital.

• Le moment cinétique de spin. - Plus fondamental encore, l'électron possède une propriété quantique intrinsèque appelée spin. On peut se le représenter (de manière imagée) comme une rotation de l'électron sur lui-même. Ce "mouvement" de charge crée le moment magnétique de spin. C'est cette propriété qui est la source principale du magnétisme dans la plupart des matériaux.

Le champ magnétique
L'espace situé au voisinage d'un aimant (qu'il sagisse d'un matériau aimanté ou de l'effet équivalent produit par un courant électrique) et sous l'influence de cet aimant se nomme champ magnétique. Cet espace est théoriquement infini, quelle que soit la puissance de l'aimant; pratiquement, il est limité là où cessent d'être appréciables les effets magnétiques. Cette région de l'espace, où donc une force magnétique peut s'exercer, n'est pas une substance matérielle, mais une modification des propriétés de l'espace lui-même, créée par l'aimant.

Le champ magnétique, noté B, est un champ vectoriel. Autrement dit, en tout point de l'espace, il possède une magnitude (son intensité) et une direction. L'unité de mesure du champ magnétique dans le Système International (SI) est le tesla (T). Le champ magnétique terrestre, par exemple, est très faible, de l'ordre de 50 microteslas (5.10^−5 T).

Lignes de champ magnétique.
Pour visualiser un champ magnétique, on utilise le concept de lignes de champ. Ces lignes imaginaires indiquent la direction que prendrait une aiguille aimantée abandonnée dans le champ. Elles ont les caractéristiques suivantes :

• À la différence des lignes de champ électrique qui peuvent partir d'une charge positive et finir sur une charge négative, les lignes de champ magnétique sont toujours des boucles fermées. Elles ne commencent ni ne finissent nulle part. Par convention, on dit qu'elles "sortent" du pôle Nord d'un aimant et "rentrent" par le pôle Sud, mais elles se poursuivent à l'intérieur de l'aimant pour former une boucle complète.

Inexistence du monopôle magnétique. - La nature en boucle fermée est une conséquence d'une loi fondamentale : il n'existe pas de "charge magnétique" isolée, ou monopôle magnétique. Si vous coupez un aimant en deux, vous n'obtiendrez jamais un pôle Nord isolé et un pôle Sud isolé. Vous obtiendrez deux nouveaux aimants, chacun avec son propre pôle Nord et son propre pôle Sud.

• Le vecteur de champ magnétique à chaque point de l'espace est tangent à la ligne de champ qui passe par ce point.

• La densité des lignes (leur resserrement) indique l'intensité du champ. Plus les lignes sont proches les unes des autres, plus le champ est intense.

• Quand on représente ces lignes, on convient  leur nombre par unité de surface au voisinage d'un point est proportionnel à l'intensité du champ à ce point.

• Les lignes de champ ne se coupent en aucun point de l'espace.

On appelle densité d'induction magnétique  ou flux magnétique à travers une surface S, le produit de l'induction magnétique B par la surface et par le cosinus de l'angle  que le vecteur d'induction forme avec la normale à la surface.

L'unité de flux magnétique est le weber (Wb).

Induction magnétique et substances magnétiques.
L'induction magnétique est le phénomène par lequel certaines substances sont magnétisées lorsqu'elles sont dans un champ magnétique. L'aimant qui produit le champ est appelé inducteur.

Les substances magnétisées dans le même sens du champ sont dites paramagnétiques; si la magnétisation est intense, elles sont appelées ferromagnétiques et si elles sont magnétisées dans le sens opposé, diamagnétiques.

L'induction magnétique est représentée par un vecteur habituellement noté B. L'induction magnétique est mesurée en webers / m²; 1 weber / m² = 10⁴ gauss

Le lien avec l'électricité : l'électromagnétisme.
Le magnétisme et l'électricité sont les deux facettes d'une même interaction fondamentale, l'interaction électromagnétique, décrite par les équations de Maxwell.

Loi de Biot et Savart.
Tout courant crée un champ magnétique.
Comme découvert par Ørsted en 1820, un fil parcouru par un courant électrique génère un champ magnétique circulaire autour de lui. La loi de Biot et Savart permet de calculer ce champ. Pour un élément infinitésimal de conducteur parcouru par un courant I, le champ magnétique en un point P est donné par :

Pour l'ensemble du conducteur, on intègre :

Où μ0​ est la perméabilité magnétique du vide (4Ï€.10^−7 H/m); I est l'intensité du courant;  dl est le vecteur élément de longueur du conducteur; r est le vecteur position allant de l'élément dl. vers le point d'observation; r est la distance entre dl et P. NB : les caractères en gras signalent des vecteurs; le symbole Λ est celui du produit vectoriel.

Loi de Lenz-Faraday.
Tout champ magnétique variable crée un courant électrique.
Inversement, un champ magnétique qui varie dans le temps à travers un circuit électrique y induit un courant. C'est le principe de l'induction électromagnétique, découvert par Faraday, qui est à la base du fonctionnement des générateurs électriques, des transformateurs et des plaques à induction. La loi de Lenz-Faraday décrit la force électromotrice (f.é.m)  induite dans un circuit lorsqu'il y a une variation du flux magnétique ΦB​ à travers ce circuit :

Comportement des matériaux dans un champ magnétique.
Les matériaux réagissent différemment à un champ magnétique en fonction de leur structure atomique et des interactions entre spins électroniques. Les principales catégories sont le diamagnétisme, le paramagnétisme, le ferromagnétisme, l'antiferromagnétisme, le ferrimagnétisme et les comportements complexes observés dans les matériaux composites ou nanostructurés. Sous contraintes thermiques ou mécaniques, ces comportements peuvent se modifier, donnant lieu à des effets couplés magnéto-mécaniques. Les matériaux supraconducteurs et composites présentent quant à eux des réponses plus complexes,notamment des états de piégeage du flux magnétique et des pertes énergétiques spécifiques.

Diamagnétisme.
Certains matériaux sont dits diamagnétiques. Dans ce cas, les électrons orbitant autour du noyau génèrent de petits courants qui s'opposent au champ magnétique appliqué, produisant une faible répulsion. Cette propriété est universelle mais très faible, ce qui la rend souvent masquée par d'autres effets magnétiques. Des exemples courants sont le cuivre, l'or ou le bismuth.

Supraconductivité. - Certains matériaux deviennent supraconducteurs à très basse température. Ils expulsent totalement le champ magnétique de leur intérieur par l'effet Meissner, ce qui les rend parfaitement diamagnétiques. Cette propriété exceptionnelle est exploitée dans diverses applications technologiques comme les aimants supraconducteurs pour IRM ou les trains à sustentation magnétique.

Ferromagnétisme.
Un comportement beaucoup plus marqué apparaît dans les matériaux ferromagnétiques. Le ferromagnétisme est la forme la plus forte et la plus connue du magnétisme. Dans les substances ferroagnétiques, les moments magnétiques des atomes tendent à s'aligner spontanément grâce à des interactions d'échange, créant de larges régions homogènes appelées domaines magnétiques ou domaines de Weiss. Lorsqu'un champ externe est appliqué, ces domaines s'orientent et la magnétisation peut persister même après la disparition du champ, phénomène connu sous le nom d'hystérésis. Le fer, le cobalt et le nickel en sont les exemples les plus connus.

Antiferromagnétisme.
Certains matériaux présentent un comportement intermédiaire appelé antiferromagnétisme. Dans ces substances, les moments magnétiques voisins s'alignent de manière antiparallèle, annulant la magnétisation globale à basse température. Cependant, sous l'action d'un champ, de faibles effets magnétiques peuvent être observés. Le dioxyde de manganèse et l'hématite illustrent ce type d'ordre.

Ferrimagnétisme.
Une autre variante est le ferrimagnétisme. Contrairement à l'antiferromagnétisme, les moments antiparallèles n'ont pas la même intensité, ce qui entraîne une magnétisation nette mais généralement plus faible que celle des matériaux ferromagnétiques. Les ferrites, utilisées dans les têtes de lecture et certains transformateurs, sont des exemples typiques.