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Aimant 
extracted from Wikipedia, the Free Encyclopedia


 

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, comme d'exercer une force d'attraction sur tout matériau paramagnétique.

Sommaire

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 fer1. 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 poser2. »

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 contraceptif1. » Vers l'an Mille, en Chine, la boussole, 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. C. Colomb, à l'aide de son compas , peut ainsi filer droit sur "Cipangu"3. Samuel Purchas fait remarquer un siècle à peine après la mort de Colomb que « la pierre d'aimant est la pierre angulaire4, 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 métaux5. »

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, etc3.

Le volume de vente d'aimants dans le monde occidental qui dépassait dix milliards de Francs (1,5 milliard d'Euros) par an en 19946reflète leur importance dans le monde actuel3.

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.

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).

Cycle matériaux durs.jpg
  • Le champ rémanent (B) est le champ magnétique existant dans le matériau en l'absence de courant.
  • L'excitation coercitive de démagnétisation (H) 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 (vecteur H, en A/m), de façon réversible.
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 1,3 1500 310 prix en baisse (brevets), sujet à l'oxydation

Calcul de la force de contact

Si l'on connaît la densité de flux 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 exercée par une masse d'environ 21 kg dans le champ de gravité terrestre.

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. ↑ a, b et c Synthèse et caractérisation d'aimants à précurseur moléculaire., Thèse de J.-C. Colin, 1994, Université de Paris XI Orsay.
  4. ↑ Le texte en anglais comporte un jeu de mot sur loadstone, pierre d'aimant et leadstone, pierre qui conduit.
  5. ↑ Première définition d'un aimant dans le Petit Larousse illustré, 1987.
  6. ↑ J. S. Miller; A. J. Epstein, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 1994, vol. 33, p. 385.

Voir aussi

Wiktprintable without text.svg

Voir « aimant permanent » sur le Wiktionnaire.

Articles connexes

Liens externes

 
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La source est wikipedia http://fr.wikipedia.org/wiki/{title}
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