Aimant permanent

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

Un aimant permanent ou aimant dans le langage courant, 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 liées à l'existence du champ magnétique, comme celle d'exercer une force d'attraction sur tout matériau ferromagnétique.

Histoire

L'histoire des aimants commence dans l'Antiquité. En Chine, puis un peu plus tard en Grèce, les hommes découvrent une pierre noire, la pierre d'aimant, qui a l'étrange pouvoir d'attirer le fer. Qui plus est, cette pierre a la capacité de transmettre son pouvoir au fer^[1]. 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^[2]. »

Partout où ces étonnantes propriétés de la magnétite sont remarquées, apparaissait la tentation de l'associer à la magie : «  Une pierre d'aimant placée sous l'oreiller d'une épouse infidèle avait le pouvoir, disait-on, de lui faire avouer sa faute. La croyance populaire attribuait à l'aimant une telle force qu'un seul fragment suffisait pour guérir toute sorte de maux et même servir de contraceptif^[1]. » Vers l'an Mille, en Chine, la boussole (appelée « aiguille du sud »^[3]), première application de la propriété d'aimantation, fait son apparition dans la navigation maritime. Cette boussole ou marinette est constituée d'une aiguille de fer aimantée par contact avec la pierre d'aimant, sera introduit en Europe environ deux siècles plus tard. Le champ magnétique terrestre à l'origine de l'aimantation de la magnétite a permis à l'homme muni d'une marinette de mieux se situer dans l'espace et donc de l'explorer. Christophe Colomb, à l'aide de son compas, peut ainsi filer droit sur « Cipangu »^[4]. Samuel Purchas fait remarquer un siècle à peine après la mort de Colomb que « la pierre d'aimant est la pierre angulaire^[5], la semence même d'où nait la découverte. »

William Gilbert, dans son De Magnete (1600), effectue pour la première fois 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. Les propriétés d'aimantation sont alors indissociablement liées à la magnétite. Encore jusqu'à très récemment, un aimant est défini comme « un oxyde naturel de fer qui attire le fer et quelques métaux^[6]. »

La magnétite (Fe₃O₄) n'est pas le seul composé aimant. Les mêmes propriétés ont été trouvées dans de nombreux autres composés minéraux. Les applications se sont multipliées. Aujourd'hui, on trouve des aimants dans des domaines aussi divers que la santé, les moteurs électriques qui sont, de fait, des moteurs magnétiques, les télécommunications, etc^[4].

Le volume de vente d'aimants dans le monde occidental qui dépassait dix milliards de Francs (1,5 milliard d'Euros) par an en 1994^[7]reflète leur importance dans le monde actuel^[4].

Pôles

Pôles d’un aimant dipolaire et orientation des lignes de champ magnétique visibles sur les pôles de l’aiguille aimantée d’une boussole au voisinage des pôles de l’aimant.

Articles détaillés : Pôle magnétique, Dipôle magnétique et Champ magnétique terrestre.

Les pôles magnétiques sont nommés « nord » et « sud » en fonction des pôles géographiques terrestre vers lesquels ils sont attirés. Comme les pôles magnétiques de polarité opposés s'attirent mutuellement, on en déduit que les pôles géographiques terrestres ont une polarité magnétique actuellement opposée à leur polarité géographique : le Pôle Nord géographique terrestre est un pôle sud magnétique, et inversement.

Les deux pôles sont indissociables, l’un n'existe pas sans l’autre (en vertu d’une équation de Maxwell montrant la continuité du champ magnétique produit). Les pôles indiquent à la fois une direction d’un axe unique passant par un point central, et le long duquel les lignes de champs viennent s’aligner (avec une inversion brutale de la direction du champ au voisinage de ce centre) : autour de ces deux pôles, le champ magnétique est maximum et orienté parallèlement à l’axe, tandis qu’il décroit avec la distance à l’aimant ; l’effet combiné des deux pôles forme hors de cet axe des lignes de direction du champ magnétique orientées le long de cercles passant par le centre magnétique entre les deux pôles, ces cercles de même intensité du champ étant disposés sur un tore passant par le centre magnétique.

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, la RMN et donc l'IRM. 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 ou en néodyme fer bore.

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 permanents 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). Il existe aussi des aimants moléculaires comme des aimants de chimie de coordination^[4], des aimants organo-métalliques^[8] et des aimants purement organiques (CHNO)^[9] mais en 2010, ils ont tous des températures de Curie très basses excepté V(TCNE)₂^[10] (di-tétracyanoéthylénure de vanadium).

• Le champ rémanent (B) est le champ magnétique existant dans le matériau en l'absence de courant.
• L'excitation coercitive de démagnétisation (vecteur H, en A/m) 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, et ce définitivement (le matériau ne retrouvera pas son aimantation d’origine après refroidissement), mais néanmoins de façon réversible (une fois refroidi, le matériau retrouve ses propriétés ferromagnétiques et pourra à nouveau être magnétisé).

Matériaux	Br en Tesla	Hc en kA/m	T° de Curie en °C	Remarques diverses
aciers	0.001 à 0.02	6 à 19	750	anciens aimants
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 hausse (terres rares), sujet à l'oxydation

Calcul de la force de contact

Si l'on connaît l'intensité 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 $\scriptstyle S\varepsilon$ où $\scriptstyle S$ 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 (poids) exercée par une masse d’environ 21 kg dans le champ moyen de gravité terrestre.

Inversement et si l'on connaît la force de "collage" d'un aimant, par cette formule on peut avoir une approximation de la valeur du champ magnétique généré à proximité de l'aimant.

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

Ainsi, un aimant permanent à base de néodyme-fer-bore de 2 cm de diamètre ayant une force d'adhérence de 2 kg (soit environ 20 Newton (unité)), génére un champ magnétique à proximité de sa surface d'environ :$\ \scriptstyle 4\,10^{-1}\,$ Tesla (unité), soit 4 000 Gauss (unité)^[11].

Références

1. ↑ ^{a et b} Les découvreurs, D. Boorstin, 1986, Seghers, Paris.
2. ↑ Pline l'Ancien, Histoire naturelle, livre II, Chapitre 97-99 Lire en Français et en latin
3. ↑ Les cartes étant orientées le nord en bas, comme pour la lecture descendante des idéogrammes
4. ↑ ^{a, b, c et d} Synthèse et caractérisation d'aimants à précurseur moléculaire., Thèse de J.-C. Colin, 1994, Université de Paris XI Orsay.
5. ↑ Le texte en anglais comporte un jeu de mot sur loadstone, pierre d'aimant et leadstone, pierre qui conduit.
6. ↑ Première définition d'un aimant dans le Petit Larousse illustré, 1987.
7. ↑ J. S. Miller; A. J. Epstein, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 1994, vol. 33, p. 385.
8. ↑ par exemple : [Fe(Cp*)₂].[TCNE].CH₃CN : J.S. Miller, A. J. Epstein & W. M. Reiff, Molecular/Organic Ferromagnets , Science, 1988, vol. 240(4848), pp. 40-47. DOI:0.1126/science.240.4848.40.
9. ↑ Par exemple : R. Chiarelli, M. A. Novak†, A. Rassat & J. L. Tholence, A ferromagnetic transition at 1.48 K in an organic nitroxide, Nature, 1993, vol.363, pp. 147-149. DOI:10.1038/363147a0.
10. ↑ Hiroyasu Matsuura, Kazumasa Miyake, Hidetoshi Fukuyama,Theory of Room Temperature Ferromagnet V(TCNE)_x (1.5 < x < 2): Role of Hidden Flat Bands, J. Phys. Soc. Jpn., 2010, vol. 79(3). arXiv:1001.3512v2
11. ↑ http://www.supermagnete.fr/faq/force

Voir aussi

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• « aimant », sur le Wiktionnaire (dictionnaire universel)

Articles connexes

• Magnétisme
• Champ magnétique
• Périclase (magnésie)

Liens externes

• Des expériences scientifiques avec un aimant sur Wikidébrouillard l'encyclopédie des sciences expérimentales du quotidien.