Aimantation

Aimant

Photo d'un aimant lévitant au-dessus d'un supraconducteur.

Un aimant est un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, c’est-à-dire dont le champ rémanent et l'excitation coercitive sont grands (voir ci-dessous). Cela lui donne des propriétés particulières, comme d'exercer une force d'attraction sur tout matériau ferromagnétique.

Sommaire

Histoire

Le premier, Thalès de Milet, parle de l'aimant.

Dans l'Antiquité, Pline l'ancien écrivait : « Il y a auprès du fleuve Indus deux montagnes, dont l'une retient et l'autre repousse toute espèce de fer (XXXVI, 25); de la sorte, si l'on porte des clous aux souliers, dans l'une on ne peut pas retirer son pied, dans l'autre on ne peut pas le poser[1]. »

William Gilbert, le premier, dans son De Magnete (1600), fait la distinction entre corps électriques (il introduit ce terme) et magnétiques. Il assimile la Terre à un aimant, note les lois de répulsion et d'attraction des aimants par leur pôle et l'influence de la chaleur sur le magnétisme du fer. Il donne aussi les premières notions sur l'électricité, dont une liste des corps électrisables par frottement.

Application

Tout barreau aimanté s'oriente naturellement dans la direction nord-sud suivant les lignes du champ magnétique terrestre, pour peu qu'on lui laisse un axe de rotation libre de toutes contraintes. Cette propriété est utilisée dans la fabrication des boussoles.

Les aimants sont très utilisés pour la réalisation de machines à courant continu ou de machines synchrones. L'existence de champ magnétique en l'absence de courant est mise à profit pour la réalisation de capteurs, par exemple des capteurs de proximité. Les aimants sont aussi utilisés dans la conception de sources dipolaires afin de produire des plasmas micro-onde. Il faut cependant que celui-ci permette de vérifier les conditions de couplage RCE (résonance cyclotronique électronique) soit 0.0875 tesla pour un champ électrique tournant de 2.45 GHz. En général, les aimants utilisés sont en samarium cobalt.

Les aimants équipent divers objets. Les attaches à aimants sont des fournitures de bureau qui permettent de fixer à un tableau des feuilles de papier, comme le ferait une pince ou une épingle. Ces mêmes attaches servent aux porte-photos, remplaçant la colle ou le ruban adhésif. Certaines pièces de jeux fonctionnent grâce à des aimants, permettant ainsi de jouer pendant un trajet en voiture ou en train, par exemple. Certaines figurines décoratives, appelées aussi « magnets » se fixent à leur support, par exemple le réfrigérateur, à l'aide d'aimants.

Caractéristiques

Les aimants contiennent presque toujours des atomes d'au moins un des éléments chimiques suivants : fer, cobalt ou nickel, ou de la famille des lanthanides (terres rares). Les aimants naturels sont des oxydes mixtes de Fer II et de Fer III de la famille des ferrites (oxyde mixtes d'un métal divalent et de Fer III). Ce sont des matériaux magnétiques durs (à cycle d'hystérésis large).

Cycle matériaux durs.jpg
  • Le champ rémanent (B) est le champ magnétique existant dans le matériau en l'absence de courant.
  • L'excitation coercitive de démagnétisation (H) est l'excitation (champ magnétique créé par des courants circulant autour du matériau) qu'il faut produire pour démagnétiser ce matériau.
  • La température de Curie : température pour laquelle le matériau perd son aimantation (vecteur H, en A/m), de façon réversible.
Matériaux Br en Tesla Hc en kA/m T° de Curie en °C Remarques diverses
ferrites 0,2 à 0,4 200 300 les moins chers
Alnico 1,2 50 750 à 850 se démagnétisent trop facilement
Samarium cobalt 0,5 800 700 à 800 prix élevé à cause du cobalt
Néodyme fer bore 1,3 1500 310 prix en baisse (brevets), sujet à l'oxydation

Calcul de la force de contact

Si l'on connaît la densité de flux du champ magnétique \scriptstyle{B} (en teslas) produite par l'aimant à sa surface, on peut calculer une bonne approximation de la force nécessaire pour le décoller d'une surface en fer. On imagine que la force \scriptstyle{F} a décollé l'aimant d'une distance \textstyle{\varepsilon} de la surface de fer. La distance \textstyle{\varepsilon} est très petite de sorte que l'on puisse accepter que dans tout le volume situé entre l'aimant et le fer le champ magnétique est égal à \scriptstyle{B}. Le travail fait par la force \scriptstyle{F} est

W = F\varepsilon \,

Ce travail s'est transformé en énergie du champ magnétique dans le volume créé entre l'aimant et le fer. La densité d'énergie par unité de volume due au champ magnétique est :

\rho = {\frac{1}{2}}{B^2\over\mu} \, J.m-3

Ici \scriptstyle{\mu}\, est la perméabilité de l'air, presque égale à celle du vide : \mu_0 = \scriptstyle 4\pi\,\,10^{-7}\, H.m-1.

Le volume de l'espace créé entre l'aimant et le fer est égal à \scriptstyle S\varepsilon\scriptstyle S est la surface de l'aimant qui était collée au fer. Le travail fait s'est transformé en énergie :

F\varepsilon =  {1 \over 2}{S\varepsilon B^2\over\mu} \,

On déduit la valeur de la force de contact :

 F = {1\over 2}{B^2 S\over \mu} \,

Pour un aimant de 2,54 cm (1 pouce) de diamètre et produisant un champ (vecteur d'induction magnétique) égal à 1 tesla dans le circuit magnétique formé avec la pièce métallique au contact de laquelle il se trouve, la force obtenue est de 205 newtons, soit l'équivalent de la force exercée par une masse d'environ 21 kg dans le champ de gravité terrestre.

Références

  1. Pline l'Ancien, Histoire naturelle, livre II, Chapitre 97-99 Lire en Français et en latin

Voir aussi

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Voir « aimant » sur le Wiktionnaire.

Articles connexes

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