Aimant permanent

Un aimant permanent ou aimant dans le langage familier, est un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, c'est-à-dire dont le champ rémanent et l'excitation cœrcitive sont grands.

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Magnétisme - Électrotechnique

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Photo d'un aimant lévitant au-dessus d'un supraconducteur.

Un aimant permanent ou aimant dans le langage familier, est un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, c'est-à-dire dont le champ rémanent et l'excitation cœrcitive sont grands (voir ci-dessous). Cela lui donne des propriétés spécifiques, comme d'exercer une force d'attraction sur tout matériau paramagnétique.

Histoire

L'histoire des aimants débute dans l'Antiquité. En Chine, puis légèrement 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 fer^[1]. 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 on porte des clous aux souliers, dans l'une on ne peut pas retirer son pied, dans l'autre on ne peut pas le poser^[2].»

Partout où ces surprenantes propriétés de la magnétite sont remarquées, apparaissait la tentation de l'associer à la magie : «Une pierre d'aimant positionnée 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 contraceptif^[1].» 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 à peu près deux siècles plus tard. Le champ magnétique terrestre à l'origine de l'aimantation de la magnétite a permis à l'homme pourvu d'une marinette de mieux se situer dans l'espace et par conséquent de l'explorer. C. Colomb, avec 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 pièce maîtresse^[4], 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. Toujours jusqu'à particulièrement il y a peu de temps, un aimant est défini comme «un oxyde naturel de fer qui attire le fer et quelques métaux^[5].»

La magnétite (Fe₃O₄) n'est pas l'unique composé aimant. Les mêmes propriétés ont été trouvées dans de nombreux autres composés minéraux. Les applications se sont multipliées. Actuellement, on trouve des aimants dans des domaines aussi divers que la santé, les moteurs électriques qui sont , de fait, des moteurs magnétiques, les télécommunications, etc^[3].

Le volume de vente d'aimants dans le monde occidental qui dépassait dix milliards de Francs (1, 5 milliard d'Euros) par an en 1994^[6]reflète leur importance dans le monde actuel^[3].

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 particulièrement 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 par conséquent l'IRM. Les aimants sont aussi utilisés dans la conception de sources dipolaires pour produire des plasmas micro-onde. Il faut cependant que ce dernier permette de vérifier les conditions de couplage RCE (résonance cyclotronique électronique) soit 0.0875 tesla pour un champ électrique tournant de 2.45 GHz. Généralement, 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, donnant la possibilité ainsi de jouer pendant un trajet en voiture ou en train, par exemple. Certaines figurines décoratives, nommées aussi «magnets» se fixent à leur support, par exemple le réfrigérateur, avec 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).

Le champ rémanent (B) est le champ magnétique existant dans le matériau en l'absence de courant.
L'excitation cœrcitive 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 on connaît la densité de flux du champ magnétique (en teslas) produite par l'aimant à sa surface, on peut calculer une bonne approximation de la force indispensable pour le décoller d'une surface en fer. On imagine que la force a décollé l'aimant d'une distance $\textstyle{\varepsilon}$ de la surface de fer. La distance $\textstyle{\varepsilon}$ est particulièrement petite de sorte qu'on puisse accepter que dans tout le volume localisé entre l'aimant et le fer le champ magnétique est égal à. Le travail fait par la force 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 :

$\rho = {\frac{1}{2}}{Bˆ2\over\mu} \,$ J. m^-3

Ici est la perméabilité de l'air, presque égale à celle du vide : H. m^-1.

Le volume de l'espace créé entre l'aimant et le fer est égal à où est la surface de l'aimant qui était collée au fer. Le travail fait s'est transformé en énergie :

$F\varepsilon = {1 \over 2}{S\varepsilon Bˆ2\over\mu} \,$

On déduit la valeur de la force de contact :

$F = {1\over 2}{Bˆ2 S\over \mu} \,$

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 constitué 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

Les découvreurs, D. Boorstin, 1986, Seghers, Paris.
↑ Pline l'Ancien, Histoire naturelle, livre II, Chapitre 97-99 Lire en Français et en latin
Synthèse et caractérisation d'aimants à précurseur moléculaire. , Thèse de J. -C. Colin, 1994, Université de Paris XI Orsay.
↑ Le texte en anglais comporte un jeu de mot sur loadstone, pierre d'aimant et leadstone, pierre qui conduit.
↑ Première définition d'un aimant dans le Petit Larousse illustré, 1987.
↑ J. S. Miller; A. J. Epstein, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 1994, vol. 33, p. 385.

Voir aussi

Liens externes

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