Aimant - Magnet

Un " aimant fer à cheval " en alnico , un alliage de fer. L'aimant, en forme de fer à cheval , a les deux pôles magnétiques rapprochés. Cette forme crée un champ magnétique puissant entre les pôles, permettant à l'aimant de ramasser un morceau de fer lourd.
Lignes de champ magnétique d'un solénoïde électro-aimant , qui sont semblables à un barreau magnétique comme illustré ci - dessous avec la limaille de fer

Un aimant est un matériau ou un objet qui produit un champ magnétique . Ce champ magnétique est invisible mais est responsable de la propriété la plus notable d'un aimant : une force qui tire sur d'autres matériaux ferromagnétiques , tels que le fer , l' acier , le nickel , le cobalt , etc. et attire ou repousse d'autres aimants.

Un aimant permanent est un objet fabriqué à partir d'un matériau qui est magnétisé et crée son propre champ magnétique persistant. Un exemple quotidien est un aimant de réfrigérateur utilisé pour contenir des notes sur une porte de réfrigérateur. Les matériaux magnétisables, qui sont aussi ceux qui sont fortement attirés par un aimant, sont appelés ferromagnétiques (ou ferrimagnétiques ). Ceux-ci comprennent les éléments fer , nickel et cobalt et leurs alliages, certains alliages de métaux des terres rares et certains minéraux naturels tels que la magnétite . Bien que les matériaux ferromagnétiques (et ferrimagnétiques) soient les seuls attirés par un aimant assez fortement pour être communément considérés comme magnétiques, toutes les autres substances répondent faiblement à un champ magnétique, par l'un des nombreux autres types de magnétisme .

Les matériaux ferromagnétiques peuvent être divisés en matériaux magnétiquement « doux » comme le fer recuit , qui peuvent être magnétisés mais n'ont pas tendance à rester magnétisés, et en matériaux magnétiquement « durs », qui le font. Les aimants permanents sont fabriqués à partir de matériaux ferromagnétiques "durs" tels que l' alnico et la ferrite qui sont soumis à un traitement spécial dans un champ magnétique puissant pendant la fabrication pour aligner leur structure microcristalline interne , ce qui les rend très difficiles à démagnétiser. Pour démagnétiser un aimant saturé, un certain champ magnétique doit être appliqué, et ce seuil dépend de la coercivité du matériau respectif. Les matériaux "durs" ont une coercivité élevée, tandis que les matériaux "mous" ont une faible coercivité. La force globale d'un aimant est mesurée par son moment magnétique ou, alternativement, le flux magnétique total qu'il produit. La force locale du magnétisme dans un matériau est mesurée par son aimantation .

Un électro - aimant est constitué d'une bobine de fil qui agit comme un aimant lorsqu'un courant électrique le traverse mais cesse d'être un aimant lorsque le courant s'arrête. Souvent, la bobine est enroulée autour d'un noyau de matériau ferromagnétique "doux" tel que l' acier doux , ce qui améliore considérablement le champ magnétique produit par la bobine.

Découverte et développement

Les anciens ont appris sur le magnétisme de magnétites (ou magnétite ) qui sont des morceaux de minerai de fer naturellement aimantés. Le mot aimant a été adopté en moyen anglais du latin magnetum « lodestone », finalement du grec μαγνῆτις [λίθος] ( magnētis [lithos] ) signifiant « [pierre] de magnésie », une partie de la Grèce antique où des magnétites ont été trouvées. Les magnétites, suspendues pour pouvoir tourner, ont été les premières boussoles magnétiques . Les plus anciennes descriptions connues d'aimants et de leurs propriétés proviennent de Grèce, d'Inde et de Chine il y a environ 2500 ans. Les propriétés des pierres de taille et leur affinité pour le fer ont été décrites par Pline l'Ancien dans son encyclopédie Naturalis Historia .

Du XIIe au XIIIe siècle de notre ère, des compas magnétiques étaient utilisés pour la navigation en Chine, en Europe, dans la péninsule arabique et ailleurs.

La physique

Champ magnétique

La limaille de fer qui s'est orientée dans le champ magnétique produit par un barreau aimanté
Détection de champ magnétique avec boussole et limaille de fer

La densité de flux magnétique (également appelée champ magnétique B ou simplement champ magnétique, généralement noté B ) est un champ vectoriel . Le vecteur champ magnétique B en un point donné de l'espace est spécifié par deux propriétés :

  1. Sa direction , qui est le long de l'orientation d'une aiguille de boussole .
  2. Sa magnitude (également appelée force ), qui est proportionnelle à la force avec laquelle l'aiguille de la boussole s'oriente dans cette direction.

En unités SI , la force du champ magnétique B est donnée en teslas .

Moment magnétique

Le moment magnétique d'un aimant (également appelé moment dipolaire magnétique et généralement noté μ ) est un vecteur qui caractérise les propriétés magnétiques globales de l'aimant. Pour un aimant en barre, la direction du moment magnétique va du pôle sud de l'aimant à son pôle nord, et la magnitude se rapporte à la force et à la distance entre ces pôles. En unités SI , le moment magnétique est spécifié en termes de A·m 2 (ampères fois mètres carrés).

Un aimant produit à la fois son propre champ magnétique et répond aux champs magnétiques. La force du champ magnétique qu'il produit est en tout point proportionnel à l'amplitude de son moment magnétique. De plus, lorsque l'aimant est soumis à un champ magnétique extérieur, produit par une source différente, il est soumis à un couple tendant à orienter le moment magnétique parallèlement au champ. La quantité de ce couple est proportionnelle à la fois au moment magnétique et au champ externe. Un aimant peut également être soumis à une force l'entraînant dans un sens ou dans un autre, selon les positions et orientations de l'aimant et de la source. Si le champ est uniforme dans l'espace, l'aimant n'est soumis à aucune force nette, bien qu'il soit soumis à un couple.

Un fil en forme de cercle d'aire A et transportant le courant I a un moment magnétique de grandeur égale à IA .

Magnétisation

L'aimantation d'un matériau magnétisé est la valeur locale de son moment magnétique par unité de volume, généralement notée M , avec des unités A / m . C'est un champ vectoriel , plutôt qu'un simple vecteur (comme le moment magnétique), car différentes zones d'un aimant peuvent être magnétisées avec différentes directions et forces (par exemple, à cause des domaines, voir ci-dessous). Un bon barreau aimanté peut avoir un moment magnétique de grandeur 0,1 A.m 2 et un volume de 1 cm 3 , soit 1 x 10 -6  m 3 , et donc une grandeur moyenne d'aimantation est de 100 000 A/m. Le fer peut avoir une magnétisation d'environ un million d'ampères par mètre. Une valeur aussi élevée explique pourquoi les aimants en fer sont si efficaces pour produire des champs magnétiques.

Aimants de modélisation

Champ d'un barreau aimanté cylindrique calculé avec précision

Deux modèles différents existent pour les aimants : les pôles magnétiques et les courants atomiques.

Bien qu'à de nombreuses fins, il soit pratique de considérer un aimant comme ayant des pôles magnétiques nord et sud distincts, le concept de pôles ne doit pas être pris au pied de la lettre : c'est simplement une façon de se référer aux deux extrémités différentes d'un aimant. L'aimant n'a pas de particules distinctes au nord ou au sud sur les côtés opposés. Si un aimant de barre est brisé en deux morceaux, dans une tentative de séparer les pôles nord et sud, le résultat sera deux aimants de barre, dont chacun a à la fois un pôle nord et sud. Cependant, une version de l'approche du pôle magnétique est utilisée par les magnétiseurs professionnels pour concevoir des aimants permanents.

Dans cette approche, la divergence de l'aimantation ∇· M à l' intérieur d'un aimant et la composante normale de surface M · n sont traitées comme une distribution de monopôles magnétiques . Ceci est une commodité mathématique et n'implique pas qu'il y ait réellement des monopôles dans l'aimant. Si la distribution des pôles magnétiques est connue, alors le modèle des pôles donne le champ magnétique H . A l'extérieur de l'aimant, le champ B est proportionnel à H , tandis qu'à l'intérieur l'aimantation doit s'ajouter à H . Une extension de cette méthode qui tient compte des charges magnétiques internes est utilisée dans les théories du ferromagnétisme.

Un autre modèle est le modèle Ampère , où toute l'aimantation est due à l'effet de courants liés circulaires microscopiques ou atomiques , également appelés courants ampériens, dans tout le matériau. Pour un aimant à barre cylindrique uniformément magnétisé, l'effet net des courants liés microscopiques est de faire en sorte que l'aimant se comporte comme s'il y avait une feuille macroscopique de courant électrique circulant autour de la surface, avec une direction d'écoulement locale normale à l'axe du cylindre. Les courants microscopiques dans les atomes à l'intérieur du matériau sont généralement annulés par les courants dans les atomes voisins, de sorte que seule la surface apporte une contribution nette ; raser la couche externe d'un aimant ne détruira pas son champ magnétique, mais laissera une nouvelle surface de courants non annulés provenant des courants circulaires dans tout le matériau. La règle de droite indique dans quelle direction circule le courant chargé positivement. Cependant, le courant dû à l'électricité chargée négativement est beaucoup plus répandu dans la pratique.

Polarité

Le pôle nord d'un aimant est défini comme le pôle qui, lorsque l'aimant est librement suspendu, pointe vers le pôle magnétique nord de la Terre dans l'Arctique (les pôles magnétique et géographique ne coïncident pas, voir déclinaison magnétique ). Puisque les pôles opposés (nord et sud) s'attirent, le pôle magnétique nord est en fait le pôle sud du champ magnétique terrestre. En pratique, pour savoir quel pôle d'un aimant est au nord et lequel est au sud, il n'est pas du tout nécessaire d'utiliser le champ magnétique terrestre. Par exemple, une méthode serait de le comparer à un électro - aimant , dont les pôles peuvent être identifiés par la règle de la main droite . Les lignes de champ magnétique d'un aimant sont considérées par convention comme émergeant du pôle nord de l'aimant et rentrant au pôle sud.

Matériaux magnétiques

Le terme aimant est généralement réservé aux objets qui produisent leur propre champ magnétique persistant même en l'absence d'un champ magnétique appliqué. Seules certaines classes de matériaux peuvent le faire. La plupart des matériaux, cependant, produisent un champ magnétique en réponse à un champ magnétique appliqué – un phénomène connu sous le nom de magnétisme. Il existe plusieurs types de magnétisme, et tous les matériaux en présentent au moins un.

Le comportement magnétique global d'un matériau peut varier considérablement, en fonction de la structure du matériau, en particulier de sa configuration électronique . Plusieurs formes de comportement magnétique ont été observées dans différents matériaux, notamment :

  • Les matériaux ferromagnétiques et ferrimagnétiques sont ceux normalement considérés comme magnétiques; ils sont attirés par un aimant assez fortement pour que l'attraction puisse être ressentie. Ces matériaux sont les seuls qui peuvent conserver l'aimantation et devenir des aimants ; un exemple courant est un aimant de réfrigérateur traditionnel . Ferrimagnétiques, qui comprennent ferrites et les plus anciens matériaux magnétiques magnétite et magnétite , sont semblables mais plus faible que ferromagnétiques. La différence entre les matériaux ferromagnétiques et ferrimagnétiques est liée à leur structure microscopique, comme expliqué dans Magnétisme .
  • Les substances paramagnétiques , telles que le platine , l' aluminium et l' oxygène , sont faiblement attirées par l'un ou l'autre pôle d'un aimant. Cette attraction est des centaines de milliers de fois plus faible que celle des matériaux ferromagnétiques, elle ne peut donc être détectée qu'à l'aide d'instruments sensibles ou d'aimants extrêmement puissants. Les ferrofluides magnétiques , bien qu'ils soient constitués de minuscules particules ferromagnétiques en suspension dans un liquide, sont parfois considérés comme paramagnétiques car ils ne peuvent pas être magnétisés.
  • Diamagnétique signifie repoussé par les deux pôles. Par rapport aux substances paramagnétiques et ferromagnétiques, les substances diamagnétiques, telles que le carbone , le cuivre , l' eau et le plastique , sont encore plus faiblement repoussées par un aimant. La perméabilité des matériaux diamagnétiques est inférieure à la perméabilité du vide . Toutes les substances ne possédant pas l'un des autres types de magnétisme sont diamagnétiques ; cela inclut la plupart des substances. Bien que la force exercée sur un objet diamagnétique par un aimant ordinaire soit beaucoup trop faible pour être ressentie, en utilisant des aimants supraconducteurs extrêmement puissants , des objets diamagnétiques tels que des morceaux de plomb et même des souris peuvent être mis en lévitation , de sorte qu'ils flottent dans les airs. Les supraconducteurs repoussent les champs magnétiques de leur intérieur et sont fortement diamagnétiques.

Il existe divers autres types de magnétisme, tels que le verre de spin , le superparamagnétisme , le superdiamagnétisme et le métamagnétisme .

Utilisations courantes

Les disques durs enregistrent les données sur un mince revêtement magnétique
Séparateur à main magnétique pour minéraux lourds
  • Support d'enregistrement magnétique: les bandes VHS contiennent une bobine de bande magnétique . Les informations qui composent la vidéo et le son sont codées sur le revêtement magnétique de la bande. Les cassettes audio courantes reposent également sur des bandes magnétiques. De même, dans les ordinateurs, les disquettes et les disques durs enregistrent les données sur une fine couche magnétique.
  • Cartes de crédit , de débit et de guichet automatique : Toutes ces cartes ont une bande magnétique sur une face. Cette bande encode les informations pour contacter l'institution financière d'un individu et se connecter à son(s) compte(s).
  • Anciens types de téléviseurs (non plats) et anciens grands écrans d'ordinateur : les écrans de télévision et d'ordinateur contenant un tube à rayons cathodiques utilisent un électro-aimant pour guider les électrons vers l'écran.
  • Haut - parleurs et microphones : La plupart des haut-parleurs utilisent un aimant permanent et une bobine conductrice de courant pour convertir l'énergie électrique (le signal) en énergie mécanique (le mouvement qui crée le son). La bobine est enroulée autour d'une bobine fixée au cône du haut-parleur et transporte le signal sous forme de courant changeant qui interagit avec le champ de l'aimant permanent. La bobine acoustique ressent une force magnétique et, en réponse, déplace le cône et met l'air voisin sous pression, générant ainsi un son . Les microphones dynamiques utilisent le même concept, mais à l'envers. Un microphone a un diaphragme ou une membrane attaché à une bobine de fil. La bobine repose à l'intérieur d'un aimant de forme spéciale. Lorsque le son fait vibrer la membrane, la bobine vibre également. Lorsque la bobine se déplace à travers le champ magnétique, une tension est induite à travers la bobine. Cette tension entraîne un courant dans le fil qui est caractéristique du son d'origine.
  • Les guitares électriques utilisent des micros magnétiques pour transformer la vibration des cordes de guitare en courant électrique qui peut ensuite être amplifié . Ceci est différent du principe derrière le haut-parleur et le microphone dynamique car les vibrations sont détectées directement par l'aimant et aucun diaphragme n'est utilisé. L' orgue Hammond utilisait un principe similaire, avec des roues phoniques rotatives au lieu de cordes.
  • Moteurs électriques et générateurs : Certains moteurs électriques reposent sur une combinaison d'électro-aimant et d'aimant permanent et, tout comme les haut-parleurs, ils convertissent l'énergie électrique en énergie mécanique. Un générateur est l'inverse : il convertit l'énergie mécanique en énergie électrique en déplaçant un conducteur à travers un champ magnétique.
  • Médecine : Les hôpitaux utilisent l'imagerie par résonance magnétique pour détecter les problèmes dans les organes d'un patient sans chirurgie invasive.
  • Chimie : Les chimistes utilisent la résonance magnétique nucléaire pour caractériser les composés synthétisés.
  • Les mandrins sont utilisés dans le domaine de la métallurgie pour maintenir des objets. Les aimants sont également utilisés dans d'autres types de dispositifs de fixation, tels que la base magnétique , la pince magnétique et l' aimant de réfrigérateur .
  • Boussoles : une boussole (ou la boussole) est marinier un pointeur magnétisé libre de s'aligner avec un champ magnétique, le plus souvent le champ magnétique de la Terre .
  • Art : Les feuilles magnétiques en vinyle peuvent être fixées sur des peintures, des photographies et d'autres articles ornementaux, ce qui leur permet d'être fixées sur des réfrigérateurs et d'autres surfaces métalliques. Les objets et la peinture peuvent être appliqués directement sur la surface de l'aimant pour créer des œuvres d'art en collage. L'art magnétique est portable, peu coûteux et facile à créer. L'art magnétique en vinyle n'est plus pour le réfrigérateur. Les tableaux magnétiques métalliques colorés, les bandes, les portes, les fours à micro-ondes, les lave-vaisselle, les voitures, les poutres métalliques en I et toute surface métallique peuvent être réceptifs à l'art du vinyle magnétique. Étant un média relativement nouveau pour l'art, les utilisations créatives de ce matériau ne font que commencer.
  • Projets scientifiques : De nombreuses questions thématiques sont basées sur les aimants, y compris la répulsion des fils porteurs de courant, l'effet de la température et les moteurs impliquant des aimants.
Les aimants ont de nombreuses utilisations dans les jouets . M-tic utilise des tiges magnétiques connectées à des sphères métalliques pour la construction . Notez le tétraèdre géodésique
  • Jouets : Compte tenu de leur capacité à contrer la force de gravité à courte distance, les aimants sont souvent utilisés dans les jouets pour enfants, tels que la Magnet Space Wheel et Levitron , pour un effet amusant.
  • Les aimants pour réfrigérateur sont utilisés pour décorer les cuisines, comme souvenir ou simplement pour tenir une note ou une photo sur la porte du réfrigérateur.
  • Les aimants peuvent être utilisés pour fabriquer des bijoux. Les colliers et les bracelets peuvent avoir un fermoir magnétique, ou peuvent être entièrement construits à partir d'une série liée d'aimants et de perles ferreuses.
  • Les aimants peuvent ramasser des objets magnétiques (clous en fer, agrafes, punaises, trombones) qui sont soit trop petits, trop difficiles à atteindre ou trop fins pour que les doigts puissent les tenir. Certains tournevis sont magnétisés à cet effet.
  • Les aimants peuvent être utilisés dans les opérations de mise au rebut et de récupération pour séparer les métaux magnétiques (fer, cobalt et nickel) des métaux non magnétiques (aluminium, alliages non ferreux, etc.). La même idée peut être utilisée dans le soi-disant "test magnétique", dans lequel une carrosserie est inspectée avec un aimant pour détecter les zones réparées à l'aide de fibre de verre ou de mastic plastique.
  • On trouve des aimants dans les industries de process, notamment agro-alimentaires, afin d'éliminer les corps étrangers métalliques des matériaux entrant dans le process (matières premières) ou de détecter une éventuelle contamination en fin de process et avant conditionnement. Ils constituent une couche de protection importante pour les équipements de process et pour le consommateur final.
  • Le transport à lévitation magnétique, ou maglev , est une forme de transport qui suspend, guide et propulse les véhicules (en particulier les trains) grâce à la force électromagnétique. L'élimination de la résistance au roulement augmente l'efficacité. La vitesse maximale enregistrée d'un train maglev est de 581 kilomètres par heure (361 mph).
  • Des aimants peuvent être utilisés pour servir de dispositif de sécurité pour certaines connexions de câbles. Par exemple, les cordons d'alimentation de certains ordinateurs portables sont magnétiques pour éviter d'endommager accidentellement le port en cas de trébuchement. La connexion d'alimentation MagSafe à l'Apple MacBook en est un exemple.

Problèmes médicaux et sécurité

Étant donné que les tissus humains ont un très faible niveau de sensibilité aux champs magnétiques statiques, il existe peu de preuves scientifiques courantes montrant un effet sur la santé associé à l'exposition aux champs statiques. Les champs magnétiques dynamiques peuvent être un problème différent, cependant ; des corrélations entre le rayonnement électromagnétique et les taux de cancer ont été postulées en raison de corrélations démographiques (voir Rayonnement électromagnétique et santé ).

Si un corps étranger ferromagnétique est présent dans les tissus humains, un champ magnétique externe interagissant avec celui-ci peut présenter un risque grave pour la sécurité.

Il existe un autre type de risque magnétique indirect pour la santé impliquant les stimulateurs cardiaques. Si un stimulateur cardiaque a été intégré dans la poitrine d'un patient (généralement dans le but de surveiller et de réguler le cœur pour des battements induits électriquement stables ), il faut veiller à le tenir à l'écart des champs magnétiques. C'est pour cette raison qu'un patient avec l'appareil installé ne peut pas être testé à l'aide d'un appareil d'imagerie par résonance magnétique.

Les enfants avalent parfois de petits aimants provenant de jouets, ce qui peut être dangereux si deux aimants ou plus sont avalés, car les aimants peuvent pincer ou percer les tissus internes.

Les appareils d'imagerie magnétique (par exemple les IRM) génèrent d'énormes champs magnétiques et, par conséquent, les pièces destinées à les contenir excluent les métaux ferreux. Apporter des objets en métaux ferreux (tels que des bidons d'oxygène) dans une telle pièce crée un risque grave pour la sécurité, car ces objets peuvent être puissamment projetés par les champs magnétiques intenses.

Ferro-aimants magnétisants

Les matériaux ferromagnétiques peuvent être magnétisés des manières suivantes :

  • Chauffer l'objet au-dessus de sa température de Curie , le laisser refroidir dans un champ magnétique et le marteler en refroidissant. C'est la méthode la plus efficace et elle est similaire aux procédés industriels utilisés pour créer des aimants permanents.
  • Si vous placez l'article dans un champ magnétique externe, l'article conservera une partie du magnétisme lors du retrait. Il a été démontré que les vibrations augmentent l'effet. Il a été démontré que les matériaux ferreux alignés avec le champ magnétique terrestre qui sont soumis à des vibrations (par exemple, le châssis d'un convoyeur) acquièrent un magnétisme résiduel important. De même, frapper un clou en acier tenu par les doigts dans une direction NS avec un marteau magnétisera temporairement le clou.
  • Caresser : un aimant existant est déplacé d'un bout à l'autre de l'article à plusieurs reprises dans la même direction ( méthode à simple toucher ) ou deux aimants sont déplacés vers l'extérieur à partir du centre d'un troisième ( méthode à double toucher ).
  • Courant électrique : Le champ magnétique produit en faisant passer un courant électrique à travers une bobine peut aligner les domaines. Une fois tous les domaines alignés, l'augmentation du courant n'augmentera pas la magnétisation.

Ferromagnétiques démagnétisants

Les matériaux ferromagnétiques magnétisés peuvent être démagnétisés (ou démagnétisés) des manières suivantes:

  • Chauffer un aimant au-delà de sa température de Curie ; le mouvement moléculaire détruit l'alignement des domaines magnétiques. Cela supprime toujours toute magnétisation.
  • Placer l'aimant dans un champ magnétique alternatif avec une intensité supérieure à la coercivité du matériau, puis retirer lentement l'aimant ou diminuer lentement le champ magnétique jusqu'à zéro. C'est le principe utilisé dans les démagnétiseurs commerciaux pour démagnétiser les outils, effacer les cartes de crédit, les disques durs et les bobines de démagnétisation utilisées pour démagnétiser les tubes cathodiques .
  • Une certaine démagnétisation ou aimantation inverse se produira si une partie de l'aimant est soumise à un champ inverse au-dessus de la coercivité du matériau magnétique .
  • La démagnétisation se produit progressivement si l'aimant est soumis à des champs cycliques suffisants pour éloigner l'aimant de la partie linéaire sur le deuxième quadrant de la courbe B-H du matériau magnétique (la courbe de démagnétisation).
  • Martelage ou secousse : les perturbations mécaniques ont tendance à randomiser les domaines magnétiques et à réduire la magnétisation d'un objet, mais peuvent provoquer des dommages inacceptables.

Types d'aimants permanents

Une pile d' aimants en ferrite

Éléments métalliques magnétiques

De nombreux matériaux ont des spins électroniques non appariés, et la majorité de ces matériaux sont paramagnétiques . Lorsque les spins interagissent les uns avec les autres de telle manière que les spins s'alignent spontanément, les matériaux sont appelés ferromagnétiques (ce qui est souvent appelé magnétiquement). En raison de la façon dont leur structure atomique cristalline régulière fait interagir leurs spins, certains métaux sont ferromagnétiques lorsqu'ils sont trouvés dans leur état naturel, sous forme de minerais . Ceux-ci comprennent le minerai de fer ( magnétite ou lodestone ), le cobalt et le nickel , ainsi que les terres rares gadolinium et dysprosium (à très basse température). Ces ferroaimants naturels ont été utilisés dans les premières expériences de magnétisme. La technologie a depuis élargi la disponibilité des matériaux magnétiques pour inclure divers produits fabriqués par l'homme, tous basés, cependant, sur des éléments naturellement magnétiques.

Matériaux composites

Les aimants en céramique ou en ferrite sont constitués d'un composite fritté d'oxyde de fer en poudre et de céramique de carbonate de baryum / strontium . Compte tenu du faible coût des matériaux et des méthodes de fabrication, des aimants bon marché (ou noyaux ferromagnétiques non magnétisés, destinés à être utilisés dans des composants électroniques tels que des antennes radio AM portables ) de formes variées peuvent être facilement produits en série. Les aimants résultants sont non corrosifs mais cassants et doivent être traités comme les autres céramiques.

Les aimants Alnico sont fabriqués en coulant ou en frittant une combinaison d' aluminium , de nickel et de cobalt avec du fer et de petites quantités d'autres éléments ajoutés pour améliorer les propriétés de l'aimant. Le frittage offre des caractéristiques mécaniques supérieures, tandis que le moulage offre des champs magnétiques plus élevés et permet la conception de formes complexes. Les aimants Alnico résistent à la corrosion et ont des propriétés physiques plus tolérantes que la ferrite, mais pas aussi souhaitables qu'un métal. Les noms commerciaux des alliages de cette famille incluent : Alni, Alcomax, Hycomax, Columax et Ticonal .

Les aimants moulés par injection sont un composite de divers types de résines et de poudres magnétiques, permettant de fabriquer des pièces de formes complexes par moulage par injection. Les propriétés physiques et magnétiques du produit dépendent des matières premières, mais ont généralement une force magnétique inférieure et ressemblent aux plastiques dans leurs propriétés physiques.

Les aimants flexibles sont composés d'un composé ferromagnétique à haute coercivité (généralement de l'oxyde ferrique ) mélangé à un liant plastique. Celui-ci est extrudé sous forme de feuille et passé sur une ligne de puissants aimants permanents cylindriques. Ces aimants sont disposés en empilement à pôles magnétiques alternés tournés vers le haut (N, S, N, S...) sur un axe tournant. Cela impressionne la feuille de plastique avec les pôles magnétiques dans un format de ligne alterné. Aucun électromagnétisme n'est utilisé pour générer les aimants. La distance de pôle à pôle est de l'ordre de 5 mm, mais varie selon le fabricant. Ces aimants ont une force magnétique plus faible mais peuvent être très flexibles, selon le liant utilisé.

Aimants aux terres rares

Aimants de forme ovoïde (éventuellement Hématine ), l'un suspendu à l'autre

Les éléments des terres rares ( lanthanoïdes ) ont une couche d' électrons f partiellement occupée (pouvant accueillir jusqu'à 14 électrons). Le spin de ces électrons peut être aligné, ce qui entraîne des champs magnétiques très puissants. Par conséquent, ces éléments sont utilisés dans des aimants compacts à haute résistance où leur prix plus élevé n'est pas un problème. Les types les plus courants d'aimants aux terres rares sont les aimants samarium-cobalt et néodyme-fer-bore (NIB) .

Aimants à molécule unique (SMM) et aimants à chaîne unique (SCM)

Dans les années 1990, on a découvert que certaines molécules contenant des ions métalliques paramagnétiques sont capables de stocker un moment magnétique à très basse température. Ceux-ci sont très différents des aimants conventionnels qui stockent des informations au niveau du domaine magnétique et pourraient théoriquement fournir un support de stockage beaucoup plus dense que les aimants conventionnels. Dans cette direction, des recherches sur les monocouches de SMM sont actuellement en cours. Très brièvement, les deux principaux attributs d'un SMM sont :

  1. une grande valeur de spin à l'état fondamental ( S ), qui est fournie par un couplage ferromagnétique ou ferrimagnétique entre les centres métalliques paramagnétiques
  2. une valeur négative de l'anisotropie du dédoublement de champ nul ( D )

La plupart des SMM contiennent du manganèse mais peuvent également être trouvés avec des clusters de vanadium, de fer, de nickel et de cobalt. Plus récemment, il a été découvert que certains systèmes de chaînes peuvent également afficher une magnétisation qui persiste longtemps à des températures plus élevées. Ces systèmes ont été appelés aimants à chaîne unique.

Aimants nanostructurés

Certains matériaux nanostructurés présentent des ondes d' énergie , appelées magnons , qui fusionnent en un état fondamental commun à la manière d'un condensat de Bose-Einstein .

Aimants permanents sans terres rares

Le département américain de l'Énergie a identifié le besoin de trouver des substituts aux métaux des terres rares dans la technologie des aimants permanents et a commencé à financer de telles recherches. L' Agence pour les projets de recherche avancée-Énergie (ARPA-E) a parrainé un programme REACT (Alternatives aux terres rares dans les technologies critiques) pour développer des matériaux alternatifs. En 2011, l'ARPA-E a accordé 31,6 millions de dollars pour financer des projets de substitution des terres rares.

Frais

Les aimants permanents les moins chers actuellement, tenant compte des intensités de champ, sont des aimants flexibles et en céramique, mais ceux-ci font également partie des types les plus faibles. Les aimants en ferrite sont principalement des aimants bon marché puisqu'ils sont fabriqués à partir de matières premières bon marché : oxyde de fer et carbonate de Ba ou de Sr. Cependant, un nouvel aimant à faible coût, l'alliage Mn-Al, a été développé et domine maintenant le domaine des aimants à faible coût. Il a une magnétisation de saturation plus élevée que les aimants en ferrite. Il a également des coefficients de température plus favorables, bien qu'il puisse être thermiquement instable. Les aimants néodyme-fer-bore (NIB) sont parmi les plus puissants. Ceux-ci coûtent plus cher au kilogramme que la plupart des autres matériaux magnétiques mais, en raison de leur champ intense, sont plus petits et moins chers dans de nombreuses applications.

Température

La sensibilité à la température varie, mais lorsqu'un aimant est chauffé à une température connue sous le nom de point de Curie , il perd tout son magnétisme, même après refroidissement en dessous de cette température. Cependant, les aimants peuvent souvent être remagnétisés.

De plus, certains aimants sont fragiles et peuvent se briser à haute température.

La température maximale utilisable est la plus élevée pour les aimants alnico à plus de 540 °C (1 000 °F), environ 300 °C (570 °F) pour la ferrite et le SmCo, environ 140 °C (280 °F) pour le NIB et moins pour les céramiques flexibles , mais les nombres exacts dépendent de la qualité du matériau.

Électroaimants

Un électro-aimant, dans sa forme la plus simple, est un fil qui a été enroulé en une ou plusieurs boucles, connu sous le nom de solénoïde . Lorsque le courant électrique traverse le fil, un champ magnétique est généré. Il est concentré à proximité (et surtout à l'intérieur) de la bobine, et ses lignes de champ sont très similaires à celles d'un aimant. L'orientation de cet aimant effectif est déterminée par la règle de la main droite . Le moment magnétique et le champ magnétique de l'électroaimant sont proportionnels au nombre de boucles de fil, à la section de chaque boucle et au courant traversant le fil.

Si la bobine de fil est enroulée autour d'un matériau sans propriétés magnétiques particulières (par exemple, du carton), elle aura tendance à générer un champ très faible. Cependant, s'il est enroulé autour d'un matériau ferromagnétique doux, tel qu'un clou en fer, le champ net produit peut entraîner une augmentation de plusieurs centaines à mille fois de l'intensité du champ.

Les utilisations des électro-aimants comprennent les accélérateurs de particules , les moteurs électriques , les grues de décharge et les machines d' imagerie par résonance magnétique . Certaines applications impliquent des configurations plus qu'un simple dipôle magnétique ; par exemple, des aimants quadripolaires et sextupolaires sont utilisés pour focaliser les faisceaux de particules .

Unités et calculs

Pour la plupart des applications d'ingénierie, les unités MKS (rationnalisées) ou SI (Système International) sont couramment utilisées. Deux autres ensembles d'unités, Gaussian et CGS-EMU , sont les mêmes pour les propriétés magnétiques et sont couramment utilisés en physique.

Dans toutes les unités, il convient d'employer deux types de champ magnétique, B et H , ainsi que l' aimantation M , définie comme le moment magnétique par unité de volume.

  1. Le champ d'induction magnétique B est donné en unités SI de teslas (T). B est le champ magnétique dont la variation temporelle produit, par la loi de Faraday, des champs électriques circulants (que les compagnies d'électricité vendent). B produit également une force de déviation sur les particules chargées en mouvement (comme dans les tubes de télévision). Le tesla est équivalent au flux magnétique (en webers) par unité de surface (en mètres carrés), donnant ainsi à B l'unité d'une densité de flux. Dans CGS, l'unité de B est le gauss (G). Une tesla équivaut à 10 4  G.
  2. Le champ magnétique H est donné en unités SI d'ampères-tours par mètre (A-tour/m). Les spires apparaissent car lorsque H est produit par un fil porteur de courant, sa valeur est proportionnelle au nombre de spires de ce fil. Dans CGS, l'unité de H est l'oersted (Oe). Un tour A / m équivaut à 4π × 10 −3 Oe.
  3. L'aimantation M est donnée en unités SI d'ampères par mètre (A/m). Dans CGS, l'unité de M est l'oersted (Oe). Un A/m équivaut à 10 -3  emu/cm 3 . Un bon aimant permanent peut avoir une magnétisation aussi grande qu'un million d'ampères par mètre.
  4. En unités SI, la relation B  = μ 0 ( H  +  M ) est vraie, où μ 0 est la perméabilité de l'espace, qui vaut 4π × 10 −7  T • m / A. Dans CGS, il s'écrit B  = H  + 4π M . (L'approche des pôles donne μ 0 H en unités SI. Un terme μ 0 M en SI doit alors compléter ce μ 0 H pour donner le champ correct au sein de B , l'aimant. Il concordera avec le champ B calculé à l'aide des courants ampériens).

Les matériaux qui ne sont pas des aimants permanents satisfont généralement la relation M  = χ H dans SI, où χ est la susceptibilité magnétique ( sans dimension). La plupart des matériaux non magnétiques ont une relativement faible χ (de l'ordre d'un millionième), mais des aimants souples peuvent avoir χ de l'ordre de centaines ou des milliers. Pour les matériaux satisfaisant M  = χ H On peut aussi écrire, B  = μ 0 (1 +  χ ) H  = μ 0 μ r H  = μ H , où μ r  = 1 +  χ est le ( sans dimension) perméabilité relative et μ = μ 0 μ r est la perméabilité magnétique. Les deux aimants durs et mous ont un comportement plus complexe, dépendant de l' histoire, décrit par ce qu'on appelle des boucles d'hystérésis , qui donnent soit B par rapport à H ou M vs H . Dans CGS, M  = χ H , mais χ SI  = 4 πχ CGS , et μ = μ r .

Attention : en partie parce qu'il n'y a pas assez de symboles romains et grecs, il n'y a pas de symbole communément accepté pour la force des pôles magnétiques et le moment magnétique. Le symbole m a été utilisé à la fois pour la force polaire (unité A•m, où ici le montant m est pour le mètre) et pour le moment magnétique (unité A•m 2 ). Le symbole μ a été utilisé dans certains textes pour la perméabilité magnétique et dans d'autres textes pour le moment magnétique. Nous utiliserons μ pour la perméabilité magnétique et m pour un moment magnétique. Pour la résistance des pôles, nous emploierons q m . Pour un aimant en barre de section transversale A avec une aimantation uniforme M le long de son axe, la force polaire est donnée par q m  = MA , de sorte que M peut être considéré comme une force polaire par unité de surface.

Champs d'un aimant

Lignes de champ d'aimants cylindriques avec différents rapports d'aspect

Loin d'un aimant, le champ magnétique créé par cet aimant est presque toujours décrit (à une bonne approximation) par un champ dipolaire caractérisé par son moment magnétique total. Ceci est vrai quelle que soit la forme de l'aimant, tant que le moment magnétique est non nul. Une caractéristique d'un champ dipolaire est que la force du champ diminue en raison inverse du cube de la distance au centre de l'aimant.

Plus près de l'aimant, le champ magnétique devient plus compliqué et plus dépendant de la forme détaillée et de la magnétisation de l'aimant. Formellement, le champ peut être exprimé comme un développement multipolaire : un champ dipolaire, plus un champ quadripolaire , plus un champ octupôle, etc.

À courte distance, de nombreux champs différents sont possibles. Par exemple, pour une barre magnétique longue et fine avec son pôle nord à une extrémité et son pôle sud à l'autre, le champ magnétique près de chaque extrémité diminue en sens inverse du carré de la distance à ce pôle.

Calcul de la force magnétique

Force de traction d'un seul aimant

La force d'un aimant donné est parfois donnée en termes de force d'attraction - sa capacité à tirer des objets ferromagnétiques . La force de traction exercée par un électro-aimant ou un aimant permanent sans entrefer (c'est-à-dire que l'objet ferromagnétique est en contact direct avec le pôle de l'aimant) est donnée par l' équation de Maxwell :

,

F est la force (unité SI : newton )
A est la section transversale de l'aire du poteau en mètres carrés
B est l'induction magnétique exercée par l'aimant

Ce résultat peut être facilement dérivé en utilisant le modèle de Gilbert , qui suppose que le pôle de l'aimant est chargé de monopôles magnétiques qui induit la même chose dans l'objet ferromagnétique.

Si un aimant agit verticalement, il peut soulever une masse m en kilogrammes donnée par l'équation simple :

où g est l' accélération gravitationnelle .

Force entre deux pôles magnétiques

Classiquement , la force entre deux pôles magnétiques est donnée par :

F est la force (unité SI : newton )
q m 1 et q m 2 sont les grandeurs des pôles magnétiques (unité SI : ampère-mètre )
μ est la perméabilité du milieu intermédiaire (unité SI: tesla mètre par ampère , henry par mètre ou newton par ampère carré)
r est la séparation (unité SI : mètre).

La description des pôles est utile aux ingénieurs qui conçoivent des aimants du monde réel, mais les aimants réels ont une distribution des pôles plus complexe qu'un seul nord et sud. Par conséquent, la mise en œuvre de l'idée de pôle n'est pas simple. Dans certains cas, l'une des formules les plus complexes données ci-dessous sera plus utile.

Force entre deux surfaces magnétisées voisines de la zone A

La force mécanique entre deux surfaces magnétisées proches peut être calculée avec l'équation suivante. L'équation n'est valable que pour les cas où l'effet de frange est négligeable et le volume de l'entrefer est bien inférieur à celui du matériau aimanté :

où:

A est l'aire de chaque surface, en m 2
H est leur champ magnétisant, en A/m
μ 0 est la perméabilité de l'espace, qui vaut 4π×10 −7  T•m/A
B est la densité de flux, en T.

Force entre deux barreaux magnétiques

La force entre deux barreaux aimantés cylindriques identiques placés bout à bout à grande distance est d'environ :,

où:

B 0 est la densité de flux magnétique très proche de chaque pôle, en T,
A est l'aire de chaque pôle, en m 2 ,
L est la longueur de chaque aimant, en m,
R est le rayon de chaque aimant, en m, et
z est la distance entre les deux aimants, en m.
relie la densité de flux au pôle à l'aimantation de l'aimant.

A noter que toutes ces formulations sont basées sur le modèle de Gilbert, qui est utilisable à des distances relativement grandes. Dans d'autres modèles (par exemple, le modèle d'Ampère), une formulation plus compliquée est utilisée qui ne peut parfois pas être résolue analytiquement. Dans ces cas, des méthodes numériques doivent être utilisées.

Force entre deux aimants cylindriques

Pour deux aimants cylindriques de rayon et de longueur , avec leur dipôle magnétique aligné, la force peut être approximée asymptotiquement à grande distance par,

où est la magnétisation des aimants et est l'écart entre les aimants. Une mesure de la densité de flux magnétique très proche de l'aimant est liée approximativement par la formule

Le dipôle magnétique effectif peut être écrit comme

Où est le volume de l'aimant. Pour un cylindre, c'est .

Lorsque , l'approximation dipôle point est obtenue,

qui correspond à l'expression de la force entre deux dipôles magnétiques.

Voir également

Remarques

Les références

  • "La Première Histoire de l'Aimant Permanent". Edward Neville Da Costa Andrade, Endeavour, Volume 17, Numéro 65, janvier 1958. Contient une excellente description des premières méthodes de production d'aimants permanents.
  • "pôle n positif". Le dictionnaire anglais concis d' Oxford . Catherine Soanes et Angus Stevenson. Oxford University Press , 2004. Oxford Reference Online. Presses de l'Université d'Oxford.
  • Wayne M. Saslow, Électricité, magnétisme et lumière , Universitaire (2002). ISBN  0-12-619455-6 . Le chapitre 9 traite des aimants et de leurs champs magnétiques en utilisant le concept de pôles magnétiques, mais il montre également que les pôles magnétiques n'existent pas vraiment dans la matière ordinaire. Les chapitres 10 et 11, suivant ce qui semble être une approche du XIXe siècle, utilisent le concept de pôle pour obtenir les lois décrivant le magnétisme des courants électriques.
  • Edward P. Furlani, Aimant permanent et dispositifs électromécaniques: matériaux, analyse et applications, Série de presse académique en électromagnétisme (2001). ISBN  0-12-269951-3 .

Liens externes