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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 « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles « force (vertu) » et...) d'attraction sur tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une...) ferromagnétique.

Applications des aimants

  • Tout barreau aimanté s'oriente naturellement dans la direction nord-sud suivant les lignes du champ magnétique terrestre (La Terre possède un champ magnétique produit par les déplacements de son noyau externe – composé essentiellement de fer et de nickel en fusion conducteurs –...), 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 physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction,...) 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 électrique, une...), 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...). 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 (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace...) 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 autre. Il...) 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 la vie quotidienne, sous...), 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 (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des...) divalent et de Fer III). Ce sont des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) magnétiques durs (à cycle d'hystérésis (Soit une grandeur cause notée C produisant une grandeur effet notée E. On dit qu'il y a hystéresis lorsque la courbe E = f(C) obtenue à la croissance de C ne se...) large).

  • Le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) 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,...) du matériau) qu'il faut produire pour démagnétiser ce matériau.
  • La température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de...) 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...)

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...), 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 significative pour être utile. Bien qu'une approximation soit le plus souvent...) 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 (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) du champ magnétique dans le volume créé entre l'aimant et le fer. La densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de...) d'énergie due au champ magnétique est :

{\frac{1}{2}}{B^2\over\mu} \, en joules par mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international (SI). Il est défini, depuis 1983, comme la distance...) 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...).

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 l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des...), 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 (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le...) et produisant un champ égal à 1 tesla dans le circuit magnétique (Un circuit magnétique est un circuit généralement réalisé en matériau ferromagnétique au travers duquel circule un flux de champ 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...) 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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Lundi 23 Octobre 2017 à 12:00:17 - Physique - 0 commentaire
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