Aimants : Quoi, Types, Faits importants que les débutants doivent savoir

Table des matières

• Histoire des aimants
• Types de matériaux magnétiques
• Matériaux diamagnétiques
• Matériaux paramagnétiques
• Matériaux ferromagnétiques
• Types d'aimants
• Aimants durs et aimants souples
• Aimant permanent et électroaimant
• Applications des électroaimants

Histoire des aimants

Des lodestones (ou magnétite) d'abord, les gens ont eu une idée du fonctionnement des aimants, qui sont des morceaux de minerai de fer magnétisés trouvés dans la nature. Le mot aimant est venu du grec, de la terre nommée «Magnésie», une partie de la Grèce antique où des pierres de taille ont été trouvées. À la fin du 12ème siècle après JC, des aimants ont été utilisés et boussoles magnétiques ont été construits et utilisés dans la navigation dans différentes parties du monde comme la Chine, l'Europe, etc.

Fondamentalement, les aimants sont des matériaux qui produisent des champs magnétiques. Les physiciens Curie et Faraday ont observé que presque tous les matériaux ont certaines propriétés magnétiques et, en fonction de leur comportement magnétique, les ont divisés en trois catégories:

• Matériaux diamagnétiques
• Matériaux paramagnétiques
• Matériaux ferromagnétiques

Types d'aimants:

Matériaux magnétiques durs: 

Les aimants durs sont généralement des matériaux ferromagnétiques qui ont la capacité de retenir l'aimantation pendant une période de temps assez longue, c'est-à-dire que le matériau doit avoir une rétentivité élevée.

Les aimants durs doivent également avoir un degré élevé de coercivité, c'est-à-dire que seule une grande amplitude du champ magnétique externe doit pouvoir éliminer le magnétisme résiduel retenu par le matériau.

Quelques exemples de matériaux magnétiques durs sont Alnico (un alliage formé par la combinaison du fer, du cobalt, de l'aluminium, du nickel et du cuivre) et du lodestone (un métal naturel).

Matériaux magnétiques doux: 

Les aimants doux sont également des matériaux ferromagnétiques qui peuvent conserver leur aimantation tant que le champ magnétique externe sort, c'est-à-dire qu'ils ont une faible rétentivité. Ils ont également un faible degré de coercivité, c'est-à-dire que leur aimantation conservée (bien que très moindre) peut être éliminée très facilement.

Par conséquent, ils peuvent être facilement magnétisés et démagnétisés.

Ces types de matériaux (aimants doux) sont utilisés pour fabriquer des électroaimants, car un matériau électromagnétique doit avoir une faible rétentivité et également une faible coercivité. Le fer doux est un matériau approprié comme ferromagnet doux.

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Les deux types d'aimants: aimant permanent et électroaimant

Aimants permanents:

Les matériaux qui peuvent conserver leurs propriétés ferromagnétiques pendant de longues périodes à température ambiante normale peuvent être classés comme des aimants permanents.

Un degré élevé de rétention (l'aimant peut conserver son magnétisme en l'absence de champ magnétique externe) et également un degré élevé de coercivité (la propriété magnétique n'est pas effacée par les champs magnétiques externes) est nécessaire pour être un aimant permanent.

Les aimants permanents doivent également être résistants aux contraintes mécaniques et aux changements de température. 

Comme indiqué précédemment, un champ magnétique est produit par un champ électrique changeant. Par conséquent, il est théorisé que le champ magnétique d'un aimant permanent est une conséquence du spin uniforme des électrons dans une direction particulière à l'intérieur des atomes du matériau, car la charge électrique en mouvement produit un champ électrique changeant. Ce type de rotation uniforme des électrons dans les atomes d'un matériau est essentiellement dû à la structure atomique et à l'orientation électronique du matériau. Par conséquent, seuls quelques types de substances ont la capacité de maintenir ou de conserver en permanence un champ magnétique.

Lodestone, Alnico, comme mentionné dans les aimants durs, peut être un exemple d'aimant permanent. D'après les discussions que nous avons eues, on peut déduire que l'acier est plus approprié pour la fabrication d'aimants permanents que le fer car l'acier a une valeur de coercivité beaucoup plus élevée que le fer, bien que le fer ait une rétentivité un peu plus élevée que l'acier. Un certain nombre d'alliages avec des valeurs de rétentivité et de coercivité assez importantes ont été développés pour la fabrication d'aimants permanents. Un tel alliage avec une valeur de coercivité très élevée est appelé vocalement (un alliage composé de vanadium, de fer et de cobalt).

Électro-aimants

Les électroaimants sont généralement construits en enroulant un matériau (généralement des matériaux ferromagnétiques) par un fil dans une bobine et en connectant les fils à une alimentation électrique variable (de sorte que le courant dans les fils puisse être varié).

Comment fonctionne un électroaimant?

Lorsqu'un courant circule à travers les fils, le champ magnétique produit par chacune des boucles de bobine individuelles se résume au champ magnétique des boucles voisines, et dans l'ensemble, il fonctionne comme un aimant puissant avec le pôle nord et le pôle sud distincts.

Ce barreau magnétique résultant avec ses pôles Nord et Sud distincts est beaucoup plus fort que n'importe quel barreau aimant permanent qui peut être magnétisé et démagnétisé à volonté, c'est-à-dire qu'il ne peut se comporter comme un aimant que lorsque cela est nécessaire.

Le matériau utilisé comme noyau doit avoir une perméabilité élevée, une faible rétentivité et également une faible coercivité. Dans un électroaimant, le champ magnétique et la densité de flux peuvent facilement être modifiés en fonction du courant dans les enroulements. Cette propriété d'un électroaimant est largement utilisée dans différentes applications, mais contrairement à l'aimant permanent, celui-ci nécessite une alimentation pour fonctionner et aussi pour l'électroaimant, il y a une certaine perte d'énergie dans la magnétisation et la démagnétisation du noyau comme étudié précédemment sous la forme de la boucle d'hystérésis.

La formation du pôle nord et du pôle sud lorsque le courant circule dans les enroulements dépend de la direction du courant dans les boucles. L'endroit où se formeront les pôles Nord et Sud peut être prédit par le diagramme ci-dessous.

Facteurs dont dépend la force de l'électroaimant

L'intensité du champ magnétique ou la densité du flux magnétique dépend de la quantité de courant circulant dans les enroulements et aussi à le nombre de tours de la bobine. Plus précisément, l'intensité du champ magnétique est directement proportionnelle à chacun d'eux, ce qui est pertinent à partir de l'expression de la force magnétomotrice, qui est la suivante:

Force magnéto-motrice (MMF) = IXN 

De  est le courant traversant l'enroulement et N est le nombre de tours.

Une autre condition sur laquelle le force magnétique d'un électro-aimant dépend est le matériau utilisé comme noyau. Généralement, le noyau est constitué d'un matériau ferromagnétique à haut degré de perméabilité (mesure de la facilité avec laquelle un champ magnétisant peut pénétrer ou imprégner un matériau donné). Si nous utilisons un matériau non magnétique comme le bois, le plastique, etc., on peut supposer que le noyau est composé d'espace libre car la perméabilité d'un tel matériau est très faible et, par conséquent, la densité de flux magnétique sera négligeable.

Applications des électroaimants

• Les électroaimants sont largement utilisés dans les appareils électriques tels que les cloches électriques, les radiateurs à induction, les ventilateurs électriques, le télégraphe, les trains électriques, le moteur-générateur électrique, etc.
• Ils sont utilisés pour la lévitation magnétique comme dans les trains maglev.
• Ils sont utilisés dans les écouteurs, haut-parleurs, magnétophones et même dans les disques durs de nos ordinateurs.
• Ils sont utilisés comme relais et dans des équipements tels que les spectromètres de masse et même dans les accélérateurs de particules.
• Ils sont même utilisés à des fins médicales telles que pour retirer des morceaux de fer des plaies et également dans les machines d'IRM (imagerie par résonance magnétique). 

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