Aimant - Définition et Explications

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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...) d'attraction sur tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) 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 –...), 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...) ou de machines synchrones.
  • L'existence de champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...) 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...), 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...). 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 (En physique, on désigne par champ électrique un champ créé par des particules...) tournant de 2.45 GHz. En général les aimants utilisés sont en Samarium (Le samarium est un élément chimique, de symbole Sm et de numéro atomique 62.) Cobalt (Le Cobalt est un élément chimique, de symbole Co et de numéro atomique 27 et de...).

Caractéristiques des aimants

Les aimants contiennent presque systématiquement des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) 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...), 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...) 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...) magnétiques durs (à cycle d'hystérésis (Soit une grandeur cause notée C produisant une grandeur effet notée E. On dit qu'il y a...) 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...) 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...) 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 (Le néodyme est un élément chimique, de symbole Nd et de numéro atomique 60....) 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...)

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...), on peut calculer une bonne approximation (Une approximation est une représentation grossière c'est-à-dire manquant de...) 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...) 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...) 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...) 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...) cube (En géométrie euclidienne, un cube est un prisme dont toutes les faces sont carrées....).

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...), 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 produisant un champ égal à 1 tesla dans le circuit magnétique (Un circuit magnétique est un circuit généralement réalisé en matériau ferromagnétique au...) 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...) de 20 kilogrammes (Le kilogramme (symbole kg) est l’unité de masse du Système international d'unités (SI).).

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