magnet

aimant est un objet qui, dans son environnement, crée un champ magnétique. Il peut avoir la forme d'un aimant permanent ou d'un électroaimant. Les aimants permanents n'ont pas besoin d'énergie extérieure pour créer un champ magnétique. Ils se trouvent naturellement dans certains minerais, mais peuvent également être produits. Les électroaimants ont besoin d'énergie électrique pour créer un champ magnétique.

Propriétés des aimants

Les aimants sont attirés ou repoussés par d'autres matériaux. Un matériau fortement attiré par un aimant a une forte perméabilité. Fer et acier sont deux exemples de matériaux à forte perméabilité et sont fortement attirés par les aimants. L'eau a une telle faible perméabilité qu'elle est facilement repoussée par le champ magnétique.

SI-l'unité de l'induction magnétique, qui est faussement considérée comme la « force » du champ magnétique, est tesla (symbole T). Un champ magnétique homogène ayant une induction magnétique de 1 T exerce sur chaque mètre d'un conducteur droit traversé par un courant de 1 ampère une force de 1 newton. L'unité SI de l'intensité du champ magnétique est l'ampère par mètre (A/m). L'unité SI du flux magnétique est Weber (symbole Wb). Le flux magnétique est le produit de l'induction magnétique et de la surface traversée par le champ ; 1 Wb = 1 T·m². C'est une valeur très élevée de flux magnétique.

Histoire

Le mot aimant provient du grec μαγνήτης λίθος (magnētēs lithos), ce qui signifie « pierre de Magnésie ». Magnésie était une région dans l' Antique Grèce, l'actuelle Manisa dans la Turquie, où des réserves de magnétite ont été découvertes dès l'Antiquité. Les anciens navigateurs chinois figuraient parmi les premiers utilisateurs enregistrés de boussoles magnétiques.

Dans la mythologie des navigateurs arabes, la légende de la montagne aimantée jouait un rôle important. Au quinzième siècle, les Arabes craignaient tellement la montagne aimantée qu'ils n'utilisaient aucun objet en fer (ni clous) dans leurs navires.

Origine physique du magnétisme

Aimants permanents

La matière est composée de particules telles que les protons, neutrons et électrons et toutes ont une propriété fondamentale : le spin mécanique quantique. Le spin donne à chacune de ces particules un certain champ magnétique. On pourrait donc s'attendre à ce que toute matière soit magnétique, y compris l'antimatière qui devrait avoir des propriétés magnétiques. Malgré cela, ce n'est pas le cas.

Dans chaque atome et molécule, le spin de ces particules est strictement organisé selon le principe d'exclusion de Pauli. Ce principe d'organisation du spin n'agit cependant pas sur de grandes distances entre les atomes et les molécules. Sans cette organisation à distance, il ne se forme pas de champ magnétique global, car le moment magnétique de chaque particule est annulé par celui des autres particules.

Les aimants permanents sont particuliers en ce que l'organisation à distance existe chez eux. Le plus haut niveau d'organisation existe dans les domaines magnétiques. Cela peut être comparé à des quartiers microscopiques, où l'interaction entre les particules est forte et le résultat est un haut niveau d'organisation. Plus l'organisation dans le domaine est élevée, plus le champ résultant est fort.

L'organisation à distance (et le champ magnétique résultant fort) est le signe principal des matériaux ferromagnétiques.

Création magnétique par l'électricité

Les électrons jouent un rôle principal dans la création du champ magnétique. À l'intérieur d'un atome, les électrons peuvent exister soit seuls, soit en paires sur n'importe quelle orbite. Si ils sont appariés, les électrons individuels de cette paire ont des spins opposés – l'un vers le haut, l'autre vers le bas. Le fait que les spins soient opposés signifie qu'ils s'annulent mutuellement. Si tous les électrons sont appariés, aucun champ magnétique ne se forme.

Dans certains atomes, il y a des électrons non appariés. Tous les aimants ont des électrons non appariés, mais tous les atomes avec des électrons non appariés ne sont pas ferromagnétiques. Pour qu'un matériau soit ferromagnétique, il doit contenir des électrons non appariés, mais ceux-ci doivent agir sur de grandes distances pour que tous soient orientés dans la même direction. La position spécifique des électrons dans l'atome (ainsi que la distance entre les atomes) est ce qui crée l'organisation à distance. Les électrons ont une énergie plus faible lorsqu'ils sont orientés de la même manière.

Électroaimants

L'électroaimant dans sa forme la plus simple est un fil enroulé en une ou plusieurs boucles. À ce genre de boucle on donne le nom de solenóide. Lorsque le courant électrique traverse la boucle, un champ magnétique est généré autour d'elle. L'orientation de ce champ peut être déterminée selon la règle de la main droite. La force du champ est influencée par plusieurs facteurs. Le nombre de boucles détermine l'étendue de l'effet, la quantité de courant détermine le niveau d'activité et le matériau du noyau détermine la résistance électrique. Plus il y a de boucles et plus le courant est élevé, plus le champ magnétique est fort.

Si la boucle est creuse au centre, elle générera un champ très faible. On peut insérer dans le centre de la bobine divers matériaux ferromagnétiques ou paramagnétiques afin d'amplifier leur champ magnétique, par exemple un clou en fer. À cet effet, on utilise couramment du fer mou. L'ajout de ces objets peut amplifier le champ de cent à mille fois.

Sur de longues distances, les champs magnétiques sont régis par la loi de l'inverse du carré. Cela signifie que la force du champ est inversement proportionnelle au carré de la distance par rapport à l'aimant.

Si l'aimant est en contact avec une plaque métallique plate, la force nécessaire pour les séparer doit être d'autant plus grande que le contact entre les deux surfaces est plus étroit. Plus les surfaces sont plates, plus le nombre de points de contact est élevé entre elles, et plus la résistance entre le circuit magnétique et le champ magnétique est faible.

Les électroaimants sont utilisés dans de nombreux cas, depuis l'accélérateur de particules en passant par les grues dans les décharges de ferraille jusqu'aux machines pour la résonance magnétique. Il existe également des processus spéciaux qui nécessitent plus qu'un simple aimant à deux pôles, comme l'aimant à quatre pôles, utilisé pour focaliser les faisceaux de particules.

Si suffisamment de courant traverse l'électroaimant, la force magnétique entre les boucles adjacentes de la bobine peut provoquer que l'électroaimant se détruisent lui-même par sa propre force magnétique.

Caractéristiques des aimants

Aimants permanents et pôles[

Tous les aimants ont au moins deux pôles : c'est-à-dire au moins un pôle nord et un pôle sud. Les pôles ne sont pas des objets distincts sur ou à l'intérieur de l'aimant. À l'origine de l'article, il y a une image d'un aimant, les pôles apparaissent comme deux zones spécifiques, car l'intensité de surface du champ est la plus grande aux pôles de l'aimant, mais cela ne signifie pas qu'il s'agit de zones spécifiques.

Pour comprendre les pôles, on peut imaginer une file de personnes toutes regardant dans la même direction et debout dans un plan. Même si on peut délimiter une zone où se trouvent toutes les têtes et une zone où se trouvent toutes les nuques, il n'existe pas un seul point où elles se trouvent toutes. Chaque personne a une tête d'un côté et une nuque de l'autre. Si la file est divisée en deux, chaque moitié aura toujours une tête et une nuque. Même si la file est divisée en individus, chacun aura sa propre tête et sa propre nuque. On peut continuer ainsi à l'infini.

C'est exactement la même chose avec les aimants. Il n'y a pas de lieu sur l'aimant où se trouvent tous les pôles sud ou nord. Lorsqu'on divise l'aimant en deux, chacun aura un pôle nord et un pôle sud. Ces deux aimants plus petits peuvent être divisés davantage et chacun aura à nouveau les deux pôles. Dans la plupart des cas, si on continue à diviser le matériau en morceaux de plus en plus petits, on finit par atteindre un point où les morceaux sont si petits qu'ils ne peuvent plus conserver le champ magnétique. Malgré cela, ils ne deviennent pas des pôles séparés, ils ne perdent simplement plus la capacité de conserver le champ magnétique. Certains matériaux peuvent être divisés jusqu'au niveau moléculaire et conserver encore le champ avec un pôle sud et un pôle nord. Il existe des théories sur les pôles sud et nord séparés – les monopôles magnétiques, mais aucun monopôle n'a encore été trouvé.

Détermination du pôle nord et du champ magnétique terrestre

Le nommage standard des pôles de l'aimant est important. Historiquement, les termes nord et sud faisaient référence à la conscience de la relation entre les aimants et le champ magnétique terrestre. Un aimant librement soutenu tournera toujours vers le nord et le sud, car il est attiré par le pôle nord et le pôle sud terrestre. L'extrémité de l'aimant qui pointe vers le pôle géographique nord terrestre est appelée le pôle nord de l'aimant, la partie qui pointe vers le sud est appelée le pôle sud de l'aimant.

Le pôle géographique nord actuel est en réalité le sud magnétique. Pour compliquer davantage la situation, les roches magnétisées sur le fond des océans montrent que le champ magnétique terrestre s'est inversé dans le passé, donc ce nommage des pôles sera probablement à l'envers à l'avenir.

Heureusement, l'utilisation d'un électroaimant et de la règle de la main droite permet de déterminer l'orientation du champ magnétique de l'aimant sans connaissance du champ géomagnétique terrestre.

Pour éviter les problèmes entre les pôles géographiques et magnétiques, les pôles des aimants sont souvent désignés comme positif et négatif . Le positif est celui qui tourne vers le nord.