Aimants et propriétés magnétiques de la matière. Comment fonctionne un aimant ?

Qu’est-ce qui fait que certains métaux sont attirés par un aimant ? Pourquoi un aimant n'attire-t-il pas tous les métaux ? Pourquoi un côté d’un aimant attire-t-il et l’autre repousse-t-il le métal ? Et qu’est-ce qui rend les métaux néodyme si résistants ?

Afin de répondre à toutes ces questions, il faut d’abord définir l’aimant lui-même et comprendre son principe. Les aimants sont des corps qui ont la capacité d’attirer des objets en fer et en acier et d’en repousser d’autres grâce à l’action de leur champ magnétique. Les lignes de champ magnétique partent du pôle sud de l’aimant et sortent du pôle nord. Un aimant permanent ou dur crée constamment son propre champ magnétique. Un électro-aimant ou un aimant doux peut créer des champs magnétiques uniquement en présence d'un champ magnétique et seulement pendant une courte période lorsqu'il se trouve dans la zone d'action d'un champ magnétique particulier. Les électroaimants créent des champs magnétiques uniquement lorsque l'électricité passe à travers le fil de la bobine.

Jusqu'à récemment, tous les aimants étaient fabriqués à partir d'éléments ou d'alliages métalliques. La composition de l’aimant déterminait sa puissance. Par exemple:

Les aimants en céramique, comme ceux utilisés dans les réfrigérateurs et pour réaliser des expériences primitives, contiennent du minerai de fer en plus des matériaux composites céramiques. La plupart des aimants en céramique, également appelés aimants en fer, n’ont pas beaucoup de force d’attraction.

Les "aimants Alnico" sont constitués d'alliages d'aluminium, de nickel et de cobalt. Ils sont plus puissants que les aimants en céramique, mais bien plus faibles que certains éléments rares.

Les aimants en néodyme sont composés de fer, de bore et de l'élément néodyme, que l'on trouve rarement dans la nature.

Les aimants au cobalt-samarium comprennent le cobalt et le samarium, un élément rare. Au cours des dernières années, les scientifiques ont également découvert des polymères magnétiques, également appelés aimants en plastique. Certains d'entre eux sont très flexibles et en plastique. Cependant, certains ne fonctionnent qu’à des températures extrêmement basses, tandis que d’autres ne peuvent soulever que des matériaux très légers, comme la limaille de métal. Mais pour avoir les propriétés d’un aimant, chacun de ces métaux a besoin d’une force.

Fabriquer des aimants

De nombreux appareils électroniques modernes sont basés sur des aimants. L'utilisation d'aimants pour la production d'appareils a commencé relativement récemment, car les aimants qui existent dans la nature n'ont pas la force nécessaire pour faire fonctionner l'équipement, et ce n'est que lorsque les gens ont réussi à les rendre plus puissants qu'ils sont devenus un élément indispensable de la production. Ironstone, un type de magnétite, est considéré comme l’aimant le plus puissant trouvé dans la nature. Il est capable d'attirer de petits objets tels que des trombones et des agrafes.

Au XIIe siècle, les gens ont découvert que le minerai de fer pouvait être utilisé pour magnétiser les particules de fer. C'est ainsi que les gens ont créé la boussole. Ils ont également remarqué que si vous déplacez constamment un aimant le long d’une aiguille en fer, l’aiguille devient magnétisée. L'aiguille elle-même est tirée dans une direction nord-sud. Plus tard, le célèbre scientifique William Gilbert a expliqué que le mouvement de l'aiguille magnétisée dans la direction nord-sud est dû au fait que notre planète Terre est très similaire à un énorme aimant à deux pôles - les pôles nord et sud. L’aiguille de la boussole n’est pas aussi puissante que la plupart des aimants permanents utilisés aujourd’hui. Mais le processus physique qui magnétise les aiguilles d’une boussole et les morceaux d’alliage de néodyme est presque le même. Il s'agit de régions microscopiques appelées domaines magnétiques, qui font partie de la structure des matériaux ferromagnétiques tels que le fer, le cobalt et le nickel. Chaque domaine est un petit aimant séparé avec un pôle nord et un pôle sud. Dans les matériaux ferromagnétiques non magnétisés, chacun des pôles nord pointe dans une direction différente. Les domaines magnétiques pointant dans des directions opposées s’annulent, de sorte que le matériau lui-même ne produit pas de champ magnétique.

Dans les aimants, en revanche, pratiquement tous, ou du moins la plupart, des domaines magnétiques pointent dans une seule direction. Au lieu de s’annuler, les champs magnétiques microscopiques se combinent pour créer un grand champ magnétique. Plus il y a de domaines pointant dans la même direction, plus le champ magnétique est fort. Le champ magnétique de chaque domaine s'étend de son pôle nord à son pôle sud.

Cela explique pourquoi, si vous cassez un aimant en deux, vous obtenez deux petits aimants avec des pôles nord et sud. Cela explique également pourquoi les pôles opposés s'attirent : des lignes de force sortent du pôle nord d'un aimant et pénètrent dans le pôle sud de l'autre, provoquant l'attraction des métaux et créant un aimant plus grand. La répulsion se produit selon le même principe : les lignes de force se déplacent dans des directions opposées et, à la suite d'une telle collision, les aimants commencent à se repousser.

Fabriquer des aimants

Pour fabriquer un aimant, il suffit de « diriger » les domaines magnétiques du métal dans une direction. Pour ce faire, vous devez magnétiser le métal lui-même. Considérons à nouveau le cas d'une aiguille : si l'aimant est constamment déplacé dans une direction le long de l'aiguille, la direction de toutes ses zones (domaines) est alignée. Cependant, vous pouvez aligner les domaines magnétiques d'autres manières, par exemple :

Placez le métal dans un champ magnétique puissant dans une direction nord-sud. -- Déplacez l'aimant dans une direction nord-sud, en le frappant constamment avec un marteau, en alignant ses domaines magnétiques. -- Faire passer un courant électrique à travers l'aimant.

Les scientifiques suggèrent que deux de ces méthodes expliquent comment les aimants naturels se forment dans la nature. D'autres scientifiques affirment que le minerai de fer magnétique ne devient un aimant que lorsqu'il est frappé par la foudre. D'autres encore pensent que le minerai de fer dans la nature s'est transformé en aimant au moment de la formation de la Terre et a survécu jusqu'à ce jour.

La méthode la plus courante de fabrication d’aimants aujourd’hui consiste à placer du métal dans un champ magnétique. Le champ magnétique tourne autour de l'objet donné et commence à aligner tous ses domaines. Cependant, à ce stade, il peut y avoir un décalage dans l’un de ces processus liés, appelé hystérésis. Cela peut prendre plusieurs minutes pour que les domaines changent de direction dans une direction. Voici ce qui se passe au cours de ce processus : les régions magnétiques commencent à tourner, s'alignant le long de la ligne de champ magnétique nord-sud.

Les zones déjà orientées nord-sud s’agrandissent, tandis que les zones environnantes deviennent plus petites. Les murs du domaine, les frontières entre les domaines voisins, s'étendent progressivement, entraînant l'agrandissement du domaine lui-même. Dans un champ magnétique très puissant, certaines parois de domaine disparaissent complètement.

Il s’avère que la puissance de l’aimant dépend de la quantité de force utilisée pour changer la direction des domaines. La force des aimants dépend de la difficulté à aligner ces domaines. Les matériaux difficiles à magnétiser conservent leur magnétisme plus longtemps, tandis que les matériaux faciles à magnétiser ont tendance à se démagnétiser rapidement.

Vous pouvez réduire la force d’un aimant ou le démagnétiser complètement si vous dirigez le champ magnétique dans la direction opposée. Vous pouvez également démagnétiser un matériau si vous le chauffez jusqu'au point de Curie, c'est-à-dire la limite de température de l'état ferroélectrique à laquelle le matériau commence à perdre son magnétisme. La température élevée démagnétise le matériau et excite les particules magnétiques, perturbant l'équilibre des domaines magnétiques.

Transporter des aimants

De grands aimants puissants sont utilisés dans de nombreux domaines de l'activité humaine, depuis l'enregistrement de données jusqu'à la conduite du courant dans les fils. Mais la principale difficulté lors de leur utilisation pratique réside dans la manière de transporter les aimants. Pendant le transport, les aimants peuvent endommager d'autres objets, ou d'autres objets peuvent les endommager, ce qui rend leur utilisation difficile, voire pratiquement impossible. De plus, les aimants attirent en permanence divers débris ferromagnétiques, dont il est alors très difficile et parfois dangereux de se débarrasser.

Par conséquent, pendant le transport, de très gros aimants sont placés dans des boîtes spéciales ou des matériaux ferromagnétiques sont simplement transportés, à partir desquels les aimants sont fabriqués à l'aide d'un équipement spécial. Essentiellement, un tel équipement est un simple électro-aimant.

Pourquoi les aimants « collent » les uns aux autres ?

Vous savez probablement grâce à vos cours de physique que lorsqu’un courant électrique traverse un fil, il crée un champ magnétique. Dans les aimants permanents, un champ magnétique est également créé par le mouvement d’une charge électrique. Mais le champ magnétique dans les aimants n'est pas formé en raison du mouvement du courant à travers les fils, mais en raison du mouvement des électrons.

Beaucoup de gens croient que les électrons sont de minuscules particules qui gravitent autour du noyau d’un atome, comme les planètes en orbite autour du soleil. Mais comme l’expliquent les physiciens quantiques, le mouvement des électrons est bien plus complexe que cela. Premièrement, les électrons remplissent les orbitales en forme de coquille d’un atome, où ils se comportent à la fois comme des particules et des ondes. Les électrons ont une charge et une masse et peuvent se déplacer dans différentes directions.

Et bien que les électrons d’un atome ne se déplacent pas sur de longues distances, un tel mouvement suffit à créer un minuscule champ magnétique. Et comme les électrons appariés se déplacent dans des directions opposées, leurs champs magnétiques s’annulent. Dans les atomes des éléments ferromagnétiques, au contraire, les électrons ne sont pas appariés et se déplacent dans une seule direction. Par exemple, le fer possède jusqu’à quatre électrons non connectés qui se déplacent dans une direction. Parce qu’ils n’ont pas de champ résistant, ces électrons ont un moment magnétique orbital. Un moment magnétique est un vecteur qui a sa propre amplitude et sa propre direction.

Dans les métaux tels que le fer, le moment magnétique orbital amène les atomes voisins à s’aligner le long des lignes de force nord-sud. Le fer, comme les autres matériaux ferromagnétiques, possède une structure cristalline. En refroidissant après le processus de coulée, des groupes d’atomes provenant d’orbites parallèles s’alignent au sein de la structure cristalline. C'est ainsi que se forment les domaines magnétiques.

Vous avez peut-être remarqué que les matériaux qui composent de bons aimants sont également capables d’attirer eux-mêmes les aimants. Cela se produit parce que les aimants attirent les matériaux contenant des électrons non appariés qui tournent dans la même direction. En d’autres termes, la qualité qui transforme un métal en aimant attire également le métal vers les aimants. De nombreux autres éléments sont diamagnétiques : ils sont constitués d’atomes non appariés qui créent un champ magnétique qui repousse légèrement un aimant. Plusieurs matériaux n’interagissent pas du tout avec les aimants.

Mesure du champ magnétique

Vous pouvez mesurer le champ magnétique à l'aide d'instruments spéciaux, tels qu'un fluxmètre. Il peut être décrit de plusieurs manières : -- Les lignes de champ magnétique sont mesurées en webers (WB). Dans les systèmes électromagnétiques, ce flux est comparé au courant.

L'intensité du champ, ou densité de flux, est mesurée en Tesla (T) ou en Gauss (G). Une Tesla équivaut à 10 000 Gauss.

L’intensité du champ peut également être mesurée en webers par mètre carré. -- L'amplitude du champ magnétique est mesurée en ampères par mètre ou oersteds.

Mythes sur l'aimant

Nous travaillons avec des aimants toute la journée. On en trouve par exemple dans les ordinateurs : le disque dur enregistre toutes les informations à l'aide d'un aimant, et les aimants sont également utilisés dans de nombreux écrans d'ordinateur. Les aimants font également partie intégrante des téléviseurs à tube cathodique, des haut-parleurs, des microphones, des générateurs, des transformateurs, des moteurs électriques, des cassettes, des boussoles et des compteurs de vitesse automobiles. Les aimants ont des propriétés étonnantes. Ils peuvent induire du courant dans les fils et faire tourner le moteur électrique. Un champ magnétique suffisamment puissant peut soulever de petits objets ou même de petits animaux. Les trains à sustentation magnétique développent une vitesse élevée uniquement grâce à la poussée magnétique. Selon le magazine Wired, certaines personnes insèrent même de minuscules aimants en néodyme dans leurs doigts pour détecter les champs électromagnétiques.

Les appareils d'imagerie par résonance magnétique, qui fonctionnent grâce à un champ magnétique, permettent aux médecins d'examiner les organes internes des patients. Les médecins utilisent également des champs électromagnétiques pulsés pour voir si les os brisés guérissent correctement après un impact. Un champ électromagnétique similaire est utilisé par les astronautes qui restent longtemps en apesanteur afin d’éviter les tensions musculaires et les fractures osseuses.

Les aimants sont également utilisés en pratique vétérinaire pour soigner les animaux. Par exemple, les vaches souffrent souvent de réticulopéricardite traumatique, une maladie complexe qui se développe chez ces animaux, qui avalent souvent de petits objets métalliques avec leur nourriture qui peuvent endommager les parois de l'estomac, les poumons ou le cœur de l'animal. Par conséquent, souvent avant de nourrir les vaches, les agriculteurs expérimentés utilisent un aimant pour nettoyer leur nourriture des petites parties non comestibles. Toutefois, si la vache a déjà ingéré des métaux nocifs, l’aimant lui est alors donné avec sa nourriture. Des aimants alnico longs et fins, également appelés « aimants pour vaches », attirent tous les métaux et les empêchent d'endommager l'estomac de la vache. De tels aimants aident vraiment à guérir un animal malade, mais il est toujours préférable de s’assurer qu’aucun élément nocif ne pénètre dans la nourriture de la vache. Quant aux humains, il est contre-indiqué d'avaler des aimants, car une fois qu'ils pénètrent dans différentes parties du corps, ils seront toujours attirés, ce qui peut conduire à un blocage du flux sanguin et à la destruction des tissus mous. Par conséquent, lorsqu’une personne avale un aimant, elle a besoin d’une intervention chirurgicale.

Certaines personnes pensent que la thérapie magnétique est l’avenir de la médecine car c’est l’un des traitements les plus simples mais efficaces pour de nombreuses maladies. De nombreuses personnes sont déjà convaincues de l’action d’un champ magnétique dans la pratique. Les bracelets magnétiques, les colliers, les oreillers et bien d'autres produits similaires sont meilleurs que les pilules pour traiter une grande variété de maladies, de l'arthrite au cancer. Certains médecins pensent également qu'un verre d'eau magnétisée, à titre préventif, peut éliminer l'apparition de la plupart des affections désagréables. Aux États-Unis, environ 500 millions de dollars sont dépensés chaque année en thérapie magnétique, et les gens du monde entier dépensent en moyenne 5 milliards de dollars pour ce type de traitement.

Les partisans de la thérapie magnétique ont des interprétations différentes de l’utilité de cette méthode de traitement. Certains disent que l’aimant est capable d’attirer le fer contenu dans l’hémoglobine du sang, améliorant ainsi la circulation sanguine. D'autres prétendent que le champ magnétique modifie d'une manière ou d'une autre la structure des cellules voisines. Mais en même temps, des études scientifiques n'ont pas confirmé que l'utilisation d'aimants statiques puisse soulager une personne de la douleur ou guérir une maladie.

Certains partisans suggèrent également que tout le monde utilise des aimants pour purifier l’eau de leur maison. Comme le disent les fabricants eux-mêmes, les grands aimants peuvent purifier l’eau dure en éliminant tous les alliages ferromagnétiques nocifs. Cependant, les scientifiques affirment que ce ne sont pas les ferromagnétiques qui rendent l’eau dure. De plus, deux années d’utilisation pratique des aimants n’ont montré aucun changement dans la composition de l’eau.

Mais même s’il est peu probable que les aimants aient un effet curatif, ils méritent néanmoins d’être étudiés. Qui sait, peut-être qu’à l’avenir nous découvrirons les propriétés utiles des aimants.

Aimant

Les aimants, comme les jouets collés sur votre réfrigérateur à la maison ou les fers à cheval qu'on vous a montrés à l'école, présentent plusieurs caractéristiques inhabituelles. Tout d’abord, les aimants sont attirés par les objets en fer et en acier, comme la porte d’un réfrigérateur. En plus, ils ont des poteaux.

Rapprochez deux aimants l’un de l’autre. Le pôle sud d’un aimant sera attiré par le pôle nord de l’autre. Le pôle nord d’un aimant repousse le pôle nord de l’autre.

Courant magnétique et électrique

Le champ magnétique est généré par le courant électrique, c’est-à-dire par le mouvement des électrons. Les électrons se déplaçant autour d’un noyau atomique portent une charge négative. Le mouvement dirigé des charges d’un endroit à un autre est appelé courant électrique. Un courant électrique crée un champ magnétique autour de lui.

Ce champ, avec ses lignes de force, comme une boucle, couvre le trajet du courant électrique, comme un arc qui se dresse au-dessus de la route. Par exemple, lorsqu'une lampe de table est allumée et qu'un courant circule à travers les fils de cuivre, les électrons du fil sautent d'atome en atome et un faible champ magnétique est créé autour du fil. Dans les lignes de transmission à haute tension, le courant est beaucoup plus fort que dans une lampe de table, de sorte qu'un champ magnétique très puissant se forme autour des fils de ces lignes. Ainsi, l’électricité et le magnétisme sont les deux faces d’une même médaille : l’électromagnétisme.

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Mouvement électronique et champ magnétique

Le mouvement des électrons au sein de chaque atome crée un petit champ magnétique autour de lui. Un électron se déplaçant en orbite forme un champ magnétique de type vortex. Mais la majeure partie du champ magnétique n'est pas créée par le mouvement de l'électron en orbite autour du noyau, mais par le mouvement de l'atome autour de son axe, ce qu'on appelle le spin de l'électron. Le spin caractérise la rotation d'un électron autour d'un axe, comme le mouvement d'une planète autour de son axe.

Pourquoi les matériaux sont magnétiques et non magnétiques

Dans la plupart des matériaux, comme les plastiques, les champs magnétiques des atomes individuels sont orientés de manière aléatoire et s’annulent. Mais dans des matériaux comme le fer, les atomes peuvent être orientés de manière à ce que leurs champs magnétiques s’additionnent, de sorte qu’un morceau d’acier soit magnétisé. Les atomes des matériaux sont connectés en groupes appelés domaines magnétiques. Les champs magnétiques d'un domaine individuel sont orientés dans une direction. Autrement dit, chaque domaine est un petit aimant.

Tout le monde tenait un aimant dans ses mains et jouait avec quand il était enfant. Les aimants peuvent être très différents en forme et en taille, mais tous les aimants ont une propriété commune : ils attirent le fer. Il semble qu'ils soient eux-mêmes en fer, du moins en une sorte de métal, bien sûr. Il existe cependant des « aimants noirs » ou des « pierres » ; ils attirent aussi fortement les morceaux de fer, et surtout les uns les autres.

Mais ils ne ressemblent pas à du métal ; ils se brisent facilement, comme le verre. Les aimants ont de nombreuses utilisations utiles, par exemple, il est pratique d'« épingler » des feuilles de papier sur des surfaces repassées avec leur aide. Un aimant est pratique pour récupérer les aiguilles perdues, donc, comme nous pouvons le voir, c'est une chose tout à fait utile.

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Aimant dans le passé

Il y a plus de 2000 ans, les anciens Chinois connaissaient les aimants, au moins que ce phénomène pouvait être utilisé pour choisir une direction lors d'un voyage. Autrement dit, ils ont inventé une boussole. Des philosophes de la Grèce antique, des curieux, collectant divers faits étonnants, ont rencontré des aimants à proximité de la ville de Magnessa en Asie Mineure. Là, ils découvrirent d'étranges pierres capables d'attirer le fer. À cette époque, ce n’était pas moins étonnant que ce que les extraterrestres pouvaient devenir à notre époque.

Il semblait encore plus surprenant que les aimants n'attirent pas tous les métaux, mais seulement le fer, et le fer lui-même peut devenir un aimant, bien que moins puissant. On peut dire que l'aimant a attiré non seulement le fer, mais aussi la curiosité des scientifiques et a grandement fait progresser une science comme la physique. Thalès de Milet a écrit sur « l’âme d’un aimant », et le romain Titus Lucretius Carus a parlé du « mouvement furieux de la limaille et des anneaux de fer » dans son essai « Sur la nature des choses ». Il pouvait déjà remarquer la présence de deux pôles de l'aimant, qui plus tard, lorsque les marins commencèrent à utiliser la boussole, furent nommés d'après les points cardinaux.

Qu'est-ce qu'un aimant ? En mots simples. Un champ magnétique

Nous avons pris l'aimant au sérieux

La nature des aimants n’a pas pu être expliquée pendant longtemps. Grâce aux aimants, de nouveaux continents ont été découverts (les marins traitent toujours la boussole avec beaucoup de respect), mais personne ne savait encore rien de la nature même du magnétisme. Des travaux ont été effectués uniquement pour améliorer la boussole, ce qui a également été réalisé par le géographe et navigateur Christophe Colomb.

En 1820, le scientifique danois Hans Christian Oersted fit une découverte majeure. Il a établi l'action d'un fil avec un courant électrique sur une aiguille magnétique et, en tant que scientifique, il a découvert par des expériences comment cela se produit dans différentes conditions. La même année, le physicien français Henri Ampère émet une hypothèse sur les courants circulaires élémentaires circulant dans les molécules de matière magnétique. En 1831, l'Anglais Michael Faraday, à l'aide d'une bobine de fil isolé et d'un aimant, mena des expériences montrant que le travail mécanique pouvait être converti en courant électrique. Il a également établi la loi de l’induction électromagnétique et introduit le concept de « champ magnétique ».

La loi de Faraday établit la règle : pour une boucle fermée, la force électromotrice est égale au taux de variation du flux magnétique traversant cette boucle. Toutes les machines électriques fonctionnent sur ce principe : générateurs, moteurs électriques, transformateurs.

En 1873, le scientifique écossais James C. Maxwell combine les phénomènes magnétiques et électriques en une seule théorie, l'électrodynamique classique.

Les substances pouvant être magnétisées sont appelées ferromagnétiques. Ce nom associe les aimants au fer, mais à côté de cela, la capacité de magnétiser se retrouve également dans le nickel, le cobalt et certains autres métaux. Depuis que le champ magnétique est déjà entré dans le domaine de l’utilisation pratique, les matériaux magnétiques font l’objet d’une grande attention.

Les expériences ont commencé avec des alliages de métaux magnétiques et divers additifs. Les matériaux obtenus étaient très coûteux, et si Werner Siemens n'avait pas eu l'idée de remplacer l'aimant par de l'acier magnétisé par un courant relativement faible, le monde n'aurait jamais vu le tramway électrique et la société Siemens. Siemens a également travaillé sur des appareils télégraphiques, mais il avait ici de nombreux concurrents, et le tramway électrique a rapporté beaucoup d'argent à l'entreprise et a finalement entraîné tout le reste avec lui.

Induction électromagnétique

Grandeurs de base associées aux aimants en technologie

Nous nous intéresserons principalement aux aimants, c'est-à-dire aux ferromagnétiques, et laisserons un peu de côté le reste, très vaste domaine des phénomènes magnétiques (mieux dit, électromagnétiques, en mémoire de Maxwell). Nos unités de mesure seront celles acceptées en SI (kilogramme, mètre, seconde, ampère) et leurs dérivées :

je Intensité du champ, H, A/m (ampères par mètre).

Cette grandeur caractérise l'intensité du champ entre des conducteurs parallèles dont la distance est de 1 m et le courant qui les traverse est de 1 A. L'intensité du champ est une grandeur vectorielle.

je Induction magnétique, B, Tesla, densité de flux magnétique (Weber/m2)

Il s'agit du rapport entre le courant traversant le conducteur et la longueur du cercle, au rayon auquel nous nous intéressons à l'amplitude de l'induction. Le cercle se trouve dans le plan que le fil coupe perpendiculairement. Cela inclut également un facteur appelé perméabilité magnétique. Il s'agit d'une quantité vectorielle. Si vous regardez mentalement l'extrémité du fil et supposez que le courant circule dans la direction opposée à nous, alors les cercles de force magnétique « tournent » dans le sens des aiguilles d'une montre et le vecteur d'induction est appliqué à la tangente et coïncide avec eux dans la direction.

je Perméabilité magnétique, μ (valeur relative)

Si nous prenons la perméabilité magnétique du vide comme 1, alors pour les autres matériaux, nous obtiendrons les valeurs correspondantes. Ainsi, par exemple, pour l’air, nous obtenons une valeur presque la même que pour le vide. Pour le fer, nous obtenons des valeurs nettement plus élevées, nous pouvons donc dire au sens figuré (et très précis) que le fer « attire » les lignes de force magnétiques vers lui. Si l'intensité du champ dans une bobine sans noyau est égale à H, alors avec un noyau nous obtenons μH.

je Force coercitive, Suis.

La force coercitive mesure la résistance d'un matériau magnétique à la démagnétisation et à la remagnétisation. Si le courant dans la bobine est complètement supprimé, il y aura alors une induction résiduelle dans le noyau. Pour le rendre égal à zéro, vous devez créer un champ d'une certaine intensité, mais à l'envers, c'est-à-dire laisser le courant circuler dans la direction opposée. Cette tension est appelée force coercitive.

Étant donné que, dans la pratique, les aimants sont toujours utilisés en relation avec l'électricité, il ne faut pas s'étonner qu'une grandeur électrique telle que l'ampère soit utilisée pour décrire leurs propriétés.

De ce qui vient d'être dit, il s'ensuit qu'il est possible, par exemple, qu'un clou soumis à l'action d'un aimant devienne lui-même un aimant, même s'il est plus faible. En pratique, il s’avère que même les enfants qui jouent avec des aimants le savent.

Il existe différentes exigences technologiques en matière d'aimants, selon la destination de ces matériaux. Les matériaux ferromagnétiques sont divisés en « mous » et « durs ». Les premiers servent à réaliser des noyaux pour des appareils où le flux magnétique est constant ou variable. Vous ne pouvez pas fabriquer un bon aimant indépendant à partir de matériaux souples. Ils se démagnétisent trop facilement, et c'est précisément leur propriété précieuse, puisque le relais doit « se relâcher » si le courant est coupé et que le moteur électrique ne doit pas chauffer - l'excès d'énergie est dépensé pour l'inversion de la magnétisation, qui est libérée sous la forme de chaleur.

À QUOI RESSEMBLE VRAIMENT UN CHAMP MAGNÉTIQUE ? Igor Beletski

Les aimants permanents, c'est-à-dire ceux qu'on appelle aimants, nécessitent des matériaux durs pour leur fabrication. La rigidité fait référence au magnétique, c'est-à-dire à une induction résiduelle importante et à une force coercitive importante, puisque, comme nous l'avons vu, ces grandeurs sont étroitement liées les unes aux autres. De tels aimants sont utilisés dans les aciers au carbone, au tungstène, au chrome et au cobalt. Leur coercitivité atteint des valeurs de l'ordre de 6500 A/m.

Il existe des alliages spéciaux appelés alni, alnisi, alnico et bien d'autres, comme vous pouvez le deviner, ils contiennent de l'aluminium, du nickel, du silicium et du cobalt dans différentes combinaisons, qui ont une force coercitive plus grande - jusqu'à 20 000... 60 000 A/m. Un tel aimant n'est pas si facile à arracher du fer.

Il existe des aimants spécialement conçus pour fonctionner à des fréquences plus élevées. Il s’agit du fameux « aimant rond ». Il est « extrait » d’un haut-parleur inutilisable d’une chaîne stéréo, ou d’un autoradio, ou encore d’un téléviseur d’antan. Cet aimant est fabriqué par frittage d'oxydes de fer et d'additifs spéciaux. Ce matériau est appelé ferrite, mais toutes les ferrites ne sont pas spécifiquement magnétisées de cette façon. Et dans les haut-parleurs, il est utilisé pour réduire les pertes inutiles.

Aimants. Découverte. Comment ça fonctionne?

Que se passe-t-il à l’intérieur d’un aimant ?

Étant donné que les atomes d'une substance sont des « amas » d'électricité particuliers, ils peuvent créer leur propre champ magnétique, mais cette capacité n'est très fortement exprimée que dans certains métaux ayant une structure atomique similaire. Le fer, le cobalt et le nickel sont situés les uns à côté des autres dans le tableau périodique de Mendeleev et ont des structures similaires de coques électroniques, qui transforment les atomes de ces éléments en aimants microscopiques.

Étant donné que les métaux peuvent être appelés un mélange gelé de divers très petits cristaux, il est clair que de tels alliages peuvent avoir de nombreuses propriétés magnétiques. De nombreux groupes d’atomes peuvent « déployer » leurs propres aimants sous l’influence de leurs voisins et de champs externes. De telles « communautés » sont appelées domaines magnétiques et forment des structures très bizarres qui sont encore étudiées avec intérêt par les physiciens. Cela revêt une grande importance pratique.

Comme déjà mentionné, les aimants peuvent avoir une taille presque atomique, de sorte que la plus petite taille d'un domaine magnétique est limitée par la taille du cristal dans lequel les atomes de métal magnétique sont intégrés. Cela explique, par exemple, la densité d'enregistrement presque fantastique sur les disques durs des ordinateurs modernes, qui, apparemment, continuera de croître jusqu'à ce que les disques aient des concurrents plus sérieux.

Gravité, magnétisme et électricité

Où sont utilisés les aimants ?

dont les noyaux sont des aimants fabriqués à partir d'aimants, bien que généralement simplement appelés noyaux, les aimants ont de nombreuses autres utilisations. Il existe des aimants de papeterie, des aimants pour verrouiller les portes de meubles et des aimants d'échecs pour les voyageurs. Ce sont des aimants connus de tous.

Les types plus rares incluent les aimants pour accélérateurs de particules chargées ; ce sont des structures très impressionnantes pouvant peser des dizaines de tonnes ou plus. Bien que la physique expérimentale soit désormais envahie par l'herbe, à l'exception de cette partie qui apporte immédiatement des super-bénéfices sur le marché, elle ne coûte en elle-même presque rien.

Un autre aimant intéressant est installé dans un appareil médical sophistiqué appelé scanner d’imagerie par résonance magnétique. (En fait, la méthode s'appelle RMN, résonance magnétique nucléaire, mais pour ne pas effrayer les gens qui ne sont généralement pas forts en physique, elle a été renommée.) L'appareil nécessite de placer l'objet observé (le patient) dans un champ magnétique puissant, et l'aimant correspondant a des dimensions effrayantes et la forme du cercueil du diable.

Une personne est placée sur un canapé et roulée dans un tunnel dans cet aimant tandis que des capteurs scannent la zone qui intéresse les médecins. En général, ce n’est pas grave, mais certaines personnes souffrent de claustrophobie jusqu’à la panique. Ces personnes se laisseront volontiers exciser vivantes, mais n'accepteront pas un examen IRM. Cependant, qui sait ce qu'une personne ressent dans un champ magnétique inhabituellement puissant avec une induction allant jusqu'à 3 Tesla, après avoir payé beaucoup d'argent pour cela.

Pour obtenir un champ aussi puissant, la supraconductivité est souvent utilisée en refroidissant une bobine magnétique avec de l’hydrogène liquide. Cela permet de « gonfler » le champ sans craindre que chauffer les fils avec un fort courant ne limite les capacités de l'aimant. Ce n’est pas du tout une configuration bon marché. Mais les aimants fabriqués à partir d'alliages spéciaux qui ne nécessitent pas de polarisation de courant sont beaucoup plus chers.

Notre Terre est également un grand aimant, bien que peu puissant. Cela aide non seulement les propriétaires du compas magnétique, mais nous sauve également de la mort. Sans cela, nous serions tués par le rayonnement solaire. L'image du champ magnétique terrestre, simulée par des ordinateurs sur la base d'observations spatiales, semble très impressionnante.

Voici une courte réponse à la question de savoir ce qu'est un aimant en physique et en technologie.

Il est difficile de trouver un domaine dans lequel les aimants ne seraient pas utilisés. Les jouets éducatifs, les accessoires utiles et les équipements industriels complexes ne représentent qu'une petite fraction du nombre vraiment énorme d'options pour leur utilisation. Dans le même temps, peu de gens savent comment fonctionnent les aimants et quel est le secret de leur force d’attraction. Pour répondre à ces questions, vous devez vous plonger dans les bases de la physique, mais ne vous inquiétez pas : la plongée sera courte et peu profonde. Mais après avoir pris connaissance de la théorie, vous apprendrez en quoi consiste un aimant et la nature de sa force magnétique vous deviendra beaucoup plus claire.

L'électron est l'aimant le plus petit et le plus simple

Toute substance est constituée d'atomes, et les atomes, à leur tour, sont constitués d'un noyau autour duquel tournent des particules chargées positivement et négativement - des protons et des électrons. Le sujet qui nous intéresse est précisément les électrons. Leur mouvement crée un courant électrique dans les conducteurs. De plus, chaque électron est une source miniature de champ magnétique et, en fait, un simple aimant. C’est juste que dans la composition de la plupart des matériaux, la direction du mouvement de ces particules est chaotique. En conséquence, leurs charges s’équilibrent. Et lorsque le sens de rotation d'un grand nombre d'électrons sur leurs orbites coïncide, une force magnétique constante apparaît.

Dispositif magnétique

Nous avons donc trié les électrons. Et maintenant, nous sommes sur le point de répondre à la question de savoir comment sont structurés les aimants. Pour qu’un matériau attire un morceau de roche en fer, la direction des électrons dans sa structure doit coïncider. Dans ce cas, les atomes forment des régions ordonnées appelées domaines. Chaque domaine possède une paire de pôles : nord et sud. Une ligne constante de mouvement de forces magnétiques les traverse. Ils entrent au pôle sud et sortent du pôle nord. Cette disposition signifie que le pôle nord attirera toujours le pôle sud d’un autre aimant, tandis que les pôles similaires se repousseront.

Comment un aimant attire les métaux

La force magnétique n’affecte pas toutes les substances. Seuls certains matériaux peuvent être attirés : le fer, le nickel, le cobalt et les terres rares. Un morceau de roche en fer n'est pas un aimant naturel, mais lorsqu'il est exposé à un champ magnétique, sa structure se réorganise en domaines avec des pôles nord et sud. Ainsi, l'acier peut être magnétisé et conserver longtemps sa structure modifiée.

Comment sont fabriqués les aimants ?

Nous avons déjà compris en quoi consiste un aimant. C'est un matériau dans lequel l'orientation des domaines coïncide. Un champ magnétique puissant ou un courant électrique peut être utilisé pour conférer ces propriétés à la roche. À l'heure actuelle, les gens ont appris à fabriquer des aimants très puissants, dont la force d'attraction est des dizaines de fois supérieure à leur propre poids et dure des centaines d'années. Nous parlons de superaimants de terres rares à base d'alliage de néodyme. De tels produits pesant 2 à 3 kg peuvent contenir des objets pesant 300 kg ou plus. De quoi est constitué un aimant en néodyme et qu'est-ce qui lui confère des propriétés si étonnantes ?

L’acier simple ne convient pas pour fabriquer avec succès des produits dotés d’une puissante force d’attraction. Cela nécessite une composition particulière qui permettra d'ordonner les domaines le plus efficacement possible et de maintenir la stabilité de la nouvelle structure. Pour comprendre en quoi consiste un aimant en néodyme, imaginez une poudre métallique de néodyme, de fer et de bore qui, à l'aide d'installations industrielles, sera magnétisée par un champ puissant et frittée en une structure rigide. Pour protéger ce matériau, il est recouvert d'une coque galvanisée durable. Cette technologie de production nous permet de fabriquer des produits de différentes tailles et formes. Dans l'assortiment de la boutique en ligne World of Magnets, vous trouverez une grande variété de produits magnétiques pour le travail, le divertissement et la vie quotidienne.

Où des gisements de magnétite ont été découverts dans l’Antiquité.

L'aimant le plus simple et le plus petit peut être considéré comme un électron. Les propriétés magnétiques de tous les autres aimants sont dues aux moments magnétiques des électrons qu’ils contiennent. Du point de vue de la théorie quantique des champs, l'interaction électromagnétique est portée par un boson sans masse - un photon (une particule qui peut être représentée comme une excitation quantique du champ électromagnétique).

Weber- le flux magnétique, lorsqu'il diminue jusqu'à zéro, une quantité d'électricité de 1 coulomb traverse un circuit qui lui est connecté avec une résistance de 1 ohm.

Henri- unité internationale d'inductance et d'induction mutuelle. Si un conducteur a une inductance de 1 H et que le courant y varie uniformément de 1 A par seconde, alors une force électromotrice de 1 volt est induite à ses extrémités. 1 Henri = 1,00052 10 9 unités d'inductance électromagnétiques absolues.

Tesla- une unité de mesure de l'induction du champ magnétique en SI, numériquement égale à l'induction d'un tel champ magnétique uniforme dans lequel une force de 1 newton agit sur 1 mètre de longueur d'un conducteur droit perpendiculaire au vecteur d'induction magnétique avec un courant de 1 ampère.

Utilisation d'aimants

Supports de stockage magnétiques : les cassettes VHS contiennent des bobines de bande magnétique. Les informations vidéo et audio sont codées sur un revêtement magnétique de la bande. De plus, sur les disquettes et les disques durs des ordinateurs, les données sont enregistrées sur une fine couche magnétique. Toutefois, les supports de stockage ne sont pas des aimants au sens strict, puisqu’ils n’attirent pas les objets. Les aimants des disques durs sont utilisés dans les moteurs d’entraînement et de positionnement.
Les cartes de crédit, de débit et ATM ont toutes une bande magnétique sur un côté. Cette bande code les informations nécessaires pour se connecter à une institution financière et établir un lien avec ses comptes.
Téléviseurs et écrans d'ordinateur conventionnels : les téléviseurs et les écrans d'ordinateur contenant un tube cathodique utilisent un électro-aimant pour contrôler un faisceau d'électrons et former une image sur l'écran. Les panneaux plasma et les écrans LCD utilisent des technologies différentes.
Haut-parleurs et microphones : La plupart des haut-parleurs utilisent un aimant permanent et une bobine de courant pour convertir l'énergie électrique (le signal) en énergie mécanique (le mouvement qui crée le son). L'enroulement est enroulé sur une bobine, fixée au diffuseur, et un courant alternatif le traverse, qui interagit avec le champ d'un aimant permanent.
Un autre exemple d'utilisation d'aimants en ingénierie audio est la tête de lecture d'un électrophone et les enregistreurs de cassettes comme tête d'effacement économique.

Séparateur magnétique de minéraux lourds

Moteurs et générateurs électriques : Certains moteurs électriques (ainsi que haut-parleurs) reposent sur une combinaison d’un électro-aimant et d’un aimant permanent. Ils convertissent l'énergie électrique en énergie mécanique. Un générateur, quant à lui, convertit l'énergie mécanique en énergie électrique en déplaçant un conducteur dans un champ magnétique.
Transformateurs : appareils qui transfèrent l'énergie électrique entre deux enroulements de fil électriquement isolés mais couplés magnétiquement.
Les aimants sont utilisés dans les relais polarisés. De tels appareils se souviennent de leur état lorsque l'alimentation est coupée.
Boussole : Une boussole (ou boussole marine) est un pointeur magnétisé qui peut tourner librement et s'aligner sur la direction d'un champ magnétique, le plus souvent le champ magnétique terrestre.
Art : Les feuilles magnétiques en vinyle peuvent être fixées sur des peintures, des photographies et d'autres objets décoratifs, ce qui leur permet d'être fixées sur des réfrigérateurs et d'autres surfaces métalliques.

Les aimants sont souvent utilisés dans les jouets. M-TIC utilise des barres magnétiques reliées à des sphères métalliques

Aimants de terres rares en forme d'œuf qui s'attirent

Jouets : Étant donné leur capacité à résister à la gravité à courte distance, les aimants sont souvent utilisés dans les jouets pour enfants avec des effets amusants.
Les aimants peuvent être utilisés pour fabriquer des bijoux. Les colliers et les bracelets peuvent avoir un fermoir magnétique ou peuvent être entièrement fabriqués à partir d'une série d'aimants liés et de perles noires.
Les aimants peuvent capter des objets magnétiques (clous en fer, agrafes, punaises, trombones) qui sont soit trop petits, difficiles à atteindre ou trop fins pour être manipulés avec les doigts. Certains tournevis sont spécialement magnétisés à cet effet.
Les aimants peuvent être utilisés dans le traitement de la ferraille pour séparer les métaux magnétiques (fer, acier et nickel) des métaux non magnétiques (aluminium, alliages non ferreux, etc.). La même idée peut être utilisée dans ce qu'on appelle un « test magnétique », dans lequel la carrosserie de la voiture est examinée avec un aimant pour identifier les zones réparées à l'aide de mastic en fibre de verre ou en plastique.
Maglev : Train à sustentation magnétique entraîné et contrôlé par des forces magnétiques. Un tel train, contrairement aux trains traditionnels, ne touche pas la surface du rail pendant son déplacement. Puisqu’il existe un espace entre le train et la surface en mouvement, la friction est éliminée et la seule force de freinage est la force de traînée aérodynamique.
Les aimants sont utilisés dans les loquets des portes de meubles.
Si des aimants sont placés dans des éponges, ces éponges peuvent alors être utilisées pour laver de fines feuilles de matériaux non magnétiques des deux côtés à la fois, un côté étant difficile à atteindre. Il peut s'agir par exemple du verre d'un aquarium ou d'un balcon.
Les aimants sont utilisés pour transmettre un couple « à travers » une paroi, qui pourrait être, par exemple, le boîtier scellé d’un moteur électrique. C’est ainsi qu’a été conçu le jouet « Sous-marin » de la RDA. De la même manière, dans les débitmètres d'eau domestique, la rotation est transmise des pales du capteur à l'unité de comptage.
Des aimants ainsi qu'un interrupteur à lames sont utilisés dans des capteurs de position spéciaux. Par exemple, dans les capteurs de porte de réfrigérateur et les alarmes de sécurité.
Des aimants ainsi qu'un capteur Hall sont utilisés pour déterminer la position angulaire ou la vitesse angulaire de l'arbre.
Les aimants sont utilisés dans les éclateurs pour accélérer l’extinction de l’arc.
Les aimants sont utilisés pour les contrôles non destructifs selon la méthode des particules magnétiques (MPC)
Les aimants sont utilisés pour dévier les faisceaux de rayonnements radioactifs et ionisants, comme dans les caméras de surveillance.
Les aimants sont utilisés dans les instruments indicateurs dotés d'une aiguille de déflexion, comme un ampèremètre. De tels appareils sont très sensibles et linéaires.
Les aimants sont utilisés dans les vannes à micro-ondes et les circulateurs.
Les aimants sont utilisés dans le cadre d’un système de déviation des tubes cathodiques pour ajuster la trajectoire du faisceau d’électrons.
Avant la découverte de la loi de conservation de l’énergie, de nombreuses tentatives ont été faites pour utiliser des aimants pour construire une « machine à mouvement perpétuel ». Les gens étaient attirés par l'énergie apparemment inépuisable du champ magnétique des aimants permanents, connu depuis très longtemps. Mais le modèle fonctionnel n’a jamais été construit.
Les aimants sont utilisés dans les conceptions de freins sans contact constitués de deux plaques, l'une est un aimant et l'autre est en aluminium. L'un d'eux est rigidement fixé au châssis, l'autre tourne avec l'arbre. Le freinage est contrôlé par l'écart entre eux.

Jouets magnétiques

Uberorbes
Constructeur magnétique
Planche à dessin magnétique
Lettres et chiffres magnétiques
Dames magnétiques et échecs

Problèmes de médecine et de sécurité

Étant donné que les tissus humains ont un très faible niveau de sensibilité aux champs magnétiques statiques, il n’existe aucune preuve scientifique de leur efficacité dans le traitement d’une quelconque maladie. Pour la même raison, il n’existe aucune preuve scientifique d’un risque pour la santé humaine associé à l’exposition à ce champ. Cependant, si un corps étranger ferromagnétique se trouve dans un tissu humain, le champ magnétique interagira avec lui, ce qui peut constituer un grave danger.

Magnétisation

Démagnétisation

Parfois, la magnétisation des matériaux devient indésirable et il devient nécessaire de les démagnétiser. La démagnétisation des matériaux s'effectue de différentes manières :

chauffer un aimant au-dessus de la température de Curie entraîne toujours une démagnétisation ;
placez un aimant dans un champ magnétique alternatif qui dépasse la force coercitive du matériau, puis réduisez progressivement l'effet du champ magnétique ou retirez l'aimant de celui-ci.

Cette dernière méthode est utilisée dans l'industrie pour démagnétiser des outils, des disques durs, effacer des informations sur des cartes magnétiques, etc.

La démagnétisation partielle des matériaux se produit à la suite d'impacts, puisqu'un impact mécanique brutal entraîne un désordre des domaines.