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Aimant
Aimant suspendu au-dessus d'un supraconducteur
Aimant suspendu 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 (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale...) d'attraction sur tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) matériau ferromagnétique.

Applications des aimants

  • Tout barreau aimanté s'oriente naturellement dans la direction nord-sud suivant les lignes du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) 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 (Le courant continu est un courant électrique indépendant du temps ou, par extension, un courant périodique dont la composante continue est d'importance primordiale) ou de machines synchrones.
  • L'existence de champ magnétique en l'absence de courant est mise à profit pour la réalisation de capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension...), par exemple des capteurs de proximité.
  • Les aimants sont aussi utilisés dans la conception de sources dipolaires afin de produire des plasmas micro-onde (Les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques de longueur d'onde intermédiaire entre l'infrarouge et les ondes de radiodiffusion. Le terme de micro-onde provient du fait que ces ondes ont une longueur d'onde plus...). Il faut cependant que celui-ci permette de vérifier les conditions de couplage RCE (Résonance Cyclotronique Electronique) soit 0.0875 Tesla pour un champ électrique tournant de 2.45 GHz. En général les aimants utilisés sont en Samarium Cobalt.

Caractéristiques des aimants

Les aimants contiennent presque systématiquement des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une...) d'au moins un des éléments chimiques suivants : fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans...), cobalt ou nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.), 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).

  • Le champ rémanent est le champ magnétique existant dans le matériau en l'absence de courant.
  • L'excitation coercitive de démagnétisation est l'excitation (champ magnétique créé par des courants circulant autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit...) du matériau) qu'il faut produire pour démagnétiser ce matériau.
  • La température de Curie : température pour laquelle le matériau perd (irréversiblement) son aimantation.
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 (Le bore est un élément chimique de symbole B et de numéro atomique 5.) 1,3 1500 310 prix en baisse (brevets), sujet à l'oxydation

Calcul de la force de contact exercée par un aimant (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...)

Si l'on connaît l'intensité du champ magnétique \scriptstyle{B} (en teslas) produit par l'aimant à sa surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est...), on peut calculer une bonne approximation (Une approximation est une représentation grossière c'est-à-dire manquant de précision et d'exactitude, de quelque chose, mais encore assez...) 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 (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) 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 due au champ magnétique est :

{\frac{1}{2}}{B^2\over\mu} \, en joules par mètre cube (En géométrie euclidienne, un cube est un prisme dont toutes les faces sont carrées. Les cubes figurent parmi les solides les plus remarquables de l'espace. C'est un des cinq solides de...).

Ici \scriptstyle{\mu}\, est la perméabilité de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec...), presque égale à celle du vide : \scriptstyle 4\pi\,\,10^{-7}\,.

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 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 202 newtons, c'est-à-dire environ égale au poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de la Terre. Elle est égale à l'opposé de la...) de 20 kilogrammes (Le kilogramme (symbole kg) est l’unité de masse du Système international d'unités (SI).).

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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