Aimant, aimants


Est-ce que les aimants s'attirent autant qu'ils se repoussent?

L'attraction entre des aimants est légèrement plus forte que leur répulsion. Ceci est dû à l'orientation des aimants élémentaires dans l'aimant. En augmentant la distance, l'attraction aussi bien que la répulsion diminuent fortement. Les forces magnétiques, attraction ou répulsion, entre les aimants sont capables d'agir à distance. Elles le font par l'intermédiaire d'un champ magnétique, généré par tous les objets aimantés. On peut représenter un champ magnétique à l'aide de lignes de champ magnétique, aussi nommées lignes de force.


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Description des matériaux magnétiques

Un aimant permanent, ou simplement aimant dans le langage courant, est un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, c’est-à-dire dont l'aimantation rémanente et le champ coercitif 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.

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Aimant permanent

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). Ces éléments présentent des propriétés magnétiques mais ne sont pas forcément utilisables seuls comme aimants permanents. On utilise donc des alliages présentant des propriétés ferromagnétiques dures (un cycle d'hystérésis large). Les aimants synthétiques sont produits par frittage d'un alliage de poudres de terres rares qui forme alors une céramique polarisée sous le champ intense d'un électroaimant11. Les aimants naturels sont des oxydes mixtes de fer II et de fer III de la famille des ferrites (oxydes mixtes d'un métal divalent et de fer III). Il existe aussi des aimants moléculaires comme des aimants de chimie de coordination6, des aimants organo-métalliques12 et des aimants purement organiques (CHNO)13. Ils ont tous des températures de Curie très basses excepté le V(TCNE)214 (di-tétracyanoéthylénure de vanadium).


Histoire

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 le pouvoir d'attirer le fer. Qui plus est, cette pierre a la capacité de transmettre son pouvoir au fer1. Dans l'Antiquité, selon Plutarque2, la pierre d'aimant s'appelait os d'Horus et le fer os de Typhon. 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 poser3. » 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 »4), première application de la propriété d'aimantation, fait son apparition dans la navigation maritime. Cette boussole ou marinette, qui est constituée d'une aiguille de fer aimantée par contact avec la pierre d'aimant, sera introduite en Europe environ deux siècles plus tard au contact des Arabes. 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. Le mot magnétisme vient de la ville de Magnésie en Asie Mineure5. Au xiiie siècle, l'ingénieur militaire Pierre de Maricourt, Picard vivant à Paris et dont parle avec admiration le physicien Franciscain Roger Bacon, compose un traité intitulé De Magnete, dans lequel il décrit les propriétés de l'aimant. Christophe Colomb, à l'aide de son compas, peut ainsi filer droit sur « Cipangu »6. Samuel Purchas fait remarquer, un siècle à peine après la mort de Colomb, que « la pierre d'aimant est la pierre angulaire7, la semence même d'où naît 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. Jusqu'à très récemment, un aimant est défini comme « un oxyde naturel de fer qui attire le fer et quelques métaux »8. La magnétite (Fe3O4) n'est pas le seul matériau permettant de faire des aimants. 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.6. Le volume de vente d'aimants dans le monde occidental qui dépassait dix milliards de Francs (1,5 milliard d'euros) par an en 19949 reflète leur importance dans le monde actuel6.


Pôles

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 en réalité 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 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 décroît 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.


Applications

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. Ils sont par exemple présents dans les haut-parleurs, certains verrous de portes sous un grand nombre de formes et de taille (de minuscules aimants de 4 mg (Cobalt-Terres rares) par exemple dans les montres électriques, jusqu'à des aimants de 40 kg coulés en Ticonal 600 (ex : aimant de stator de générateur électrique)10. Au début des années 1970, de grandes usines pouvaient en produire jusqu'à plusieurs centaines de millions par an10.

Exemples d'utilisations

Les aimants sont très utilisés pour la réalisation de machines à courant continu ou de machines synchrones (ex : moteurs de faible puissance) et de divers appareils électroniques et électrotechniques. L'existence de champ magnétique en l'absence de courant est mise à profit pour la réalisation de séparateurs et 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 pour produire des plasmas micro-onde. Celui-ci doit cependant vérifier les conditions de couplage RCE (résonance cyclotronique électronique) soit 0,0875 tesla pour un champ électrique tournant de 2,45 GHz. Généralement, 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. des objets décoratifs et utilitaires dits « magnets » se fixent à certains support (ex : réfrigérateur). Certaines pièces de jeux fonctionnent grâce à des aimants, permettant notamment des jeux de construction.


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). Ces éléments présentent des propriétés magnétiques mais ne sont pas forcément utilisables seuls comme aimants permanents. On utilise donc des alliages présentant des propriétés ferromagnétiques dures (un cycle d'hystérésis large). Les aimants synthétiques sont produits par frittage d'un alliage de poudres de terres rares qui forme alors une céramique polarisée sous le champ intense d'un électroaimant11. Les aimants naturels sont des oxydes mixtes de fer II et de fer III de la famille des ferrites (oxydes mixtes d'un métal divalent et de fer III). Il existe aussi des aimants moléculaires comme des aimants de chimie de coordination6, des aimants organo-métalliques12 et des aimants purement organiques (CHNO)13. Ils ont tous des températures de Curie très basses excepté le V(TCNE)214 (di-tétracyanoéthylénure de vanadium). L'induction rémanente Br = µ0 Msat est l'induction magnétique subsistant dans le matériau à excitation magnétique nulle. Le champ coercitif de désaimantation (HcB, en A/m) est l'excitation magnétique qu'il faut produire pour désaimanter ce matériau, mais cette désaimantation peut être réversible. Le champ coercitif de désaimantation irréversible (HcM ou HcJ, en A/m) est l'excitation magnétique qu'il faut produire pour désaimanter le matériau de manière irréversible. Cette dernière peut être supérieure ou égale à la précédente. La température de Curie : température pour laquelle le matériau perd son aimantation, mais néanmoins de façon réversible (une fois refroidi, le matériau retrouve ses propriétés ferromagnétiques et pourra à nouveau être aimanté). Les matériaux durs sont intéressants pour réaliser des aimants permanents car ils présentent des cycles d'hystérésis larges. Les grandeurs principales à prendre en compte sont Br : l'induction rémanente, proportionnelle à l'aimantation du matériau, et HcM, qui est une mesure de la capacité du matériau à garder cette aimantation.

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 un refroidissement en dessous de cette température. Cependant, les aimants peuvent souvent être réaimantés. De plus, certains aimants sont cassants et peuvent se fracturer à des températures élevées. La température maximale utilisable est la plus élevée pour les aimants alnico à plus de 540 ° C (1000 ° F), environ 300 ° C (570 ° F) pour la ferrite et SmCo, environ 140 ° C (280 ° F) pour le NIB et moins pour la céramique flexible , mais les nombres exacts dépendent de la qualité du matériau.


Relation entre la force de contact et le champ magnétique

Relation entre la force de contact et le champ magnétique Si l'on connaît l'intensité de l'induction magnétique 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 considère la force F nécessaire pour séparer l'aimant d'une distance ε de la surface de fer. La distance ε est très petite de sorte que l'on puisse accepter que, dans tout le volume situé entre l'aimant et le fer, l'induction magnétique est égale à B. Le travail fait par la force.


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