Aimant – wikipedia wiki

Matériau ou objet qui produit un champ magnétique

Un “aimant en fer à cheval” en Alnico, un alliage de fer. L’aimant, fabriqué en forme de fer à cheval, a les deux pôles magnétiques proches les uns des autres. Cette forme crée un champ magnétique fort entre les poteaux, permettant à l’aimant de ramasser un morceau de fer lourd.

UN aimant est un matériau ou un objet qui produit un champ magnétique. Ce champ magnétique est invisible mais est responsable de la propriété la plus notable d’un aimant: une force qui tire d’autres matériaux ferromagnétiques, tels que le fer, l’acier, le nickel, le cobalt, etc. et attire ou repousse d’autres aimants.

UN aimant permanent est un objet fabriqué à partir d’un matériau magnétisé et crée son propre champ magnétique persistant. Un exemple quotidien est un aimant de réfrigérateur utilisé pour contenir des notes sur une porte de réfrigérateur. Les matériaux qui peuvent être magnétisés, qui sont également ceux qui sont fortement attirés par un aimant, sont appelés ferromagnétiques (ou ferrimagnétiques). Il s’agit notamment des éléments du fer, du nickel et du cobalt et leurs alliages, certains alliages de métaux rare-terrains et certains minéraux naturels tels que la pierre angulaire. Bien que les matériaux ferromagnétiques (et ferrimagnétiques) soient les seuls attirés vers un aimant assez fortement pour être couramment considérés comme magnétiques, toutes les autres substances réagissent faiblement à un champ magnétique, par l’un des nombreux autres types de magnétisme.

Les matériaux ferromagnétiques peuvent être divisés en matériaux magnétiquement “doux” comme le fer recuit, qui peut être magnétisé mais n’a pas tendance à rester magnétisé et les matériaux magnétiquement “durs”, qui le font. Les aimants permanents sont fabriqués à partir de matériaux ferromagnétiques “durs” tels que Alnico et de ferrite qui sont soumis à un traitement spécial dans un champ magnétique fort pendant la fabrication pour aligner leur structure microcristalline interne, ce qui les rend très difficiles à démagnétiser. Pour démagnétiser un aimant saturé, un certain champ magnétique doit être appliqué, et ce seuil dépend de la coercivité du matériau respectif. Les matériaux “durs” ont une forte coercivité, tandis que les matériaux “doux” ont une faible coercivité. La résistance globale d’un aimant est mesurée par son moment magnétique ou, alternativement, le flux magnétique total qu’il produit. La résistance locale du magnétisme dans un matériau est mesurée par son aimantation.

Un électroaim est fabriqué à partir d’une bobine de fil qui agit comme un aimant lorsqu’un courant électrique le traverse mais cesse d’être un aimant lorsque le courant s’arrête. Souvent, la bobine est enroulée autour d’un noyau de matériau ferromagnétique “doux” tel que l’acier doux, qui améliore considérablement le champ magnétique produit par la bobine.

Découverte et développement

Les gens anciens ont appris le magnétisme des bases (ou de la magnétite) qui sont des morceaux de minerai de fer naturellement magnétisés. Le mot aimant a été adopté en anglais moyen depuis le latin Aimanta “Lodestone”, finalement du grec Aimant [pierre] ( Aimant [lithos] ) ^[d’abord] signifiant “[pierre] de la magnésie”, ^[2] Un endroit en Anatolie où des logements ont été trouvés (aujourd’hui Manisa en Turquie moderne). Les logements, suspendus pour qu’ils puissent tourner, ont été les premières boussiers magnétiques. Les premières descriptions connues survivantes des aimants et de leurs propriétés proviennent d’Anatolie, de l’Inde et de la Chine il y a environ 2500 ans. ^{[3] [4] [5]} Les propriétés des logements et leur affinité pour le fer ont été écrites par Pline l’aîné dans son encyclopédie histoire naturelle . ^[6]

Au 11ème siècle en Chine, il a été découvert que le fer chaud rouge éteint dans le champ magnétique de la Terre laisserait le fer magnétisé en permanence. Cela a conduit au développement de la boussole de navigation, comme décrit dans Dream Pool Essays en 1088. ^{[7] [8]} Du 12e au 13e siècle après JC, les boussoles magnétiques ont été utilisées dans la navigation en Chine, en Europe, dans la péninsule arabe et ailleurs. ^[9]

Un aimant en fer droit a tendance à se démagnétiser par son propre champ magnétique. Pour surmonter cela, l’aimant en Horseshoe a été inventé par Daniel Bernoulli en 1743. ^{[7] [dix]} Un aimant en fer à cheval évite la démagnétisation en renvoyant les lignes de champ magnétique au pôle opposé. ^[11]

En 1820, Hans Christian Ørsted a découvert qu’une aiguille de boussole est déviée par un courant électrique à proximité. La même année, André-Marie Ampère a montré que le fer peut être magnétisé en l’insérant dans un sélénoïde électriquement alimenté. Cela a conduit William Sturgeon à développer un électroaim de fer en fer en 1824. ^[7] Joseph Henry a en outre transformé l’électromaigrette en un produit commercial en 1830-1831, donnant aux gens l’accès à de forts champs magnétiques pour la première fois. En 1831, il a construit un séparateur de minerai avec un électroaim capable de soulever 750 livres (340 kg). ^[douzième]

La physique

Champ magnétique

Fermings de fer qui se sont orientés dans le champ magnétique produit par un aimant à barre

La densité de flux magnétique (également appelé magnétique B champ ou simplement champ magnétique, généralement indiqué B ) est un champ vectoriel. Le magnétique B Le vecteur de champ à un point donné dans l’espace est spécifié par deux propriétés:

1. C’est direction , qui est le long de l’orientation d’une aiguille de boussole.
2. C’est ordre de grandeur (aussi appelé force ), qui est proportionnel à la force de l’aiguille de boussole orient dans cette direction.

Dans les unités SI, la force du magnétique B Le champ est donné à Teslas. ^[13]

Moment magnétique

Le moment magnétique d’un aimant (également appelé moment dipolaire magnétique et généralement indiqué m ) est un vecteur qui caractérise les propriétés magnétiques globales de l’aimant. Pour un aimant de bar, la direction du moment magnétique pointe du pôle sud de l’aimant à son pôle Nord, ^[14] Et l’ampleur est liée à la force et à la distance de ces poteaux. Dans les unités SI, le moment magnétique est spécifié en termes de · m ² (Amperes Times Meters au carré).

Un aimant produit à la fois son propre champ magnétique et répond aux champs magnétiques. La force du champ magnétique qu’il produit est à un point donné proportionnel à l’ampleur de son moment magnétique. De plus, lorsque l’aimant est placé dans un champ magnétique externe, produit par une source différente, il est soumis à un couple tendant à orienter le moment magnétique parallèle au champ. ^[15] La quantité de ce couple est proportionnelle à la fois au moment magnétique et au champ externe. Un aimant peut également être soumis à une force qui le stimule dans un sens ou dans une autre, selon les positions et les orientations de l’aimant et de la source. Si le champ est uniforme dans l’espace, l’aimant n’est soumis à aucune force nette, bien qu’elle soit soumise à un couple. ^[16]

Un fil en forme de cercle avec zone UN et transporter le courant je a un moment de grandeur magnétique égal à Il .

Magnétisation

La magnétisation d’un matériau magnétisé est la valeur locale de son moment magnétique par unité de volume, généralement indiqué M , avec des unités a / m. ^[17] C’est un champ vectoriel, plutôt qu’un simple vecteur (comme le moment magnétique), car différentes zones dans un aimant peuvent être magnétisées avec des directions et des forces différentes (par exemple, en raison des domaines, voir ci-dessous). Un bon aimant à barre peut avoir un moment magnétique de grandeur 0,1 A · m ² et un volume de 1 cm ³ , ou 1 × 10 ⁻⁶ m ³ , et donc une magnitude d’aimantation moyenne est de 100 000 a / m. Le fer peut avoir une magnétisation d’environ un million d’ampères par mètre. Une telle valeur explique pourquoi les aimants en fer sont si efficaces pour produire des champs magnétiques.

Modèles des aimants

Champ d’un aimant à barre cylindrique calculé avec précision

Deux modèles différents existent pour les aimants: les pôles magnétiques et les courants atomiques.

Bien que pour de nombreuses fins, il est commode de penser à un aimant comme ayant des pôles magnétiques nord et sud distincts, le concept de pôles ne doit pas être pris littéralement: ce n’est qu’un moyen de se référer aux deux extrémités différentes d’un aimant. L’aimant n’a pas de particules nord ou sud distinctes sur les côtés opposés. Si un aimant à barre est divisé en deux pièces, dans le but de séparer les pôles nord et sud, le résultat sera deux aimants à barres, chaque dont un pôle Nord et Sud. Cependant, une version de l’approche magnétique-pole est utilisée par les magnéticiens professionnels pour concevoir des aimants permanents. ^{[ citation requise ]]}

Dans cette approche, la divergence de l’aimantation ∇ · · M À l’intérieur d’un aimant est traité comme une distribution de monopoles magnétiques. Il s’agit d’une commodité mathématique et n’implique pas qu’il y a réellement des monopoles dans l’aimant. Si la distribution magnétique des pôles est connue, alors le modèle de poteau donne le champ magnétique H . En dehors de l’aimant, le champ B est proportionnel à H , tandis qu’à l’intérieur de l’aimantation doit être ajoutée à H . Une extension de cette méthode qui permet des charges magnétiques internes est utilisée dans les théories du ferromagnétisme.

Un autre modèle est le modèle Ampère, où toute la magnétisation est due à l’effet des courants microscopiques ou atomiques liés à la circulaire, également appelés courants ampèrs, tout au long du matériau. Pour un aimant à barre cylindrique magnétisé uniformément, l’effet net des courants liés microscopiques est de faire en sorte que l’aimant se comporte comme s’il y avait une feuille macroscopique de courant électrique qui coule autour de la surface, avec une direction d’écoulement locale normale vers l’axe de cylindre. ^[18] Les courants microscopiques dans les atomes à l’intérieur du matériau sont généralement annulés par les courants dans les atomes voisins, donc seule la surface apporte une contribution nette; raser la couche extérieure d’un aimant pas Détruisez son champ magnétique, mais laissera une nouvelle surface de courants non racinés des courants circulaires à travers le matériau. ^[19] La règle de droite indique quelle direction les flux de courant à charger positivement. Cependant, le courant dû à l’électricité chargée négativement est beaucoup plus répandu dans la pratique. ^{[ citation requise ]]}

Polarité

Le pôle Nord d’un aimant est défini comme le poteau qui, lorsque l’aimant est librement suspendu, pointe vers le pôle magnétique nord de la Terre dans l’Arctique (les pôles magnétiques et géographiques ne coïncident pas, voir la déclinaison magnétique). Étant donné que les poteaux opposés (nord et sud) attirent, le pôle magnétique nord est en fait le sud Pole du champ magnétique de la Terre. ^{[20] [21] [22] [23]} En pratique, pour dire qui Non d’un aimant est vers le nord et qui est au sud, il n’est pas nécessaire d’utiliser le champ magnétique de la Terre. Par exemple, une méthode serait de la comparer à un électromêtnet, dont les pôles peuvent être identifiés par la règle de droite. Les lignes de champ magnétique d’un aimant sont considérées par la convention pour émerger du pôle Nord de l’aimant et rentrer au pôle Sud. ^[23]

Matériaux magnétiques

Le terme aimant est généralement réservé aux objets qui produisent leur propre champ magnétique persistant même en l’absence d’un champ magnétique appliqué. Seules certaines classes de matériaux peuvent le faire. La plupart des matériaux, cependant, produisent un champ magnétique en réponse à un champ magnétique appliqué – un phénomène appelé magnétisme. Il existe plusieurs types de magnétisme, et tous les matériaux présentent au moins l’un d’entre eux.

Le comportement magnétique global d’un matériau peut varier considérablement, selon la structure du matériau, en particulier sur sa configuration d’électrons. Plusieurs formes de comportement magnétique ont été observées dans différents matériaux, notamment:

• Les matériaux ferromagnétiques et ferrimagnétiques sont ceux qui sont normalement considérés comme magnétiques; Ils sont attirés par un aimant assez fortement pour que l’attraction puisse être ressentie. Ces matériaux sont les seuls à conserver la magnétisation et à devenir des aimants; Un exemple courant est un aimant de réfrigérateur traditionnel. Les matériaux ferrimagnétiques, qui incluent les ferrites et les plus anciens matériaux magnétiques, la magnétite et la dosette, sont similaires mais plus faibles que la ferromagnétique. La différence entre les matériaux ferro et ferrimagnétiques est liée à leur structure microscopique, comme expliqué dans le magnétisme.
• Les substances paramagnétiques, telles que le platine, l’aluminium et l’oxygène, sont faiblement attirées par l’un ou l’autre pôle d’un aimant. Cette attraction est des centaines de milliers de fois plus faible que celle des matériaux ferromagnétiques, il ne peut donc être détecté qu’en utilisant des instruments sensibles ou en utilisant des aimants extrêmement forts. Les ferrofluides magnétiques, bien qu’ils soient faits de minuscules particules ferromagnétiques en suspension dans le liquide, sont parfois considérées comme paramagnétiques car elles ne peuvent pas être magnétisées.
• Diamagnétique signifie repoussé par les deux pôles. Par rapport aux substances paramagnétiques et ferromagnétiques, les substances diamagnétiques, telles que le carbone, le cuivre, l’eau et le plastique, sont encore plus faiblement repoussées par un aimant. La perméabilité des matériaux diamagnétiques est inférieure à la perméabilité d’un vide. Toutes les substances ne possédant pas l’un des autres types de magnétisme sont diamagnétiques; Cela inclut la plupart des substances. Bien que la force sur un objet diamagnétique d’un aimant ordinaire soit beaucoup trop faible pour être ressentie, en utilisant des aimants supraconducteurs extrêmement forts, des objets diamagnétiques tels que des morceaux de plomb et même des souris ^[24] Peut être lévité, donc ils flottent dans les airs. Les supraconducteurs repoussent les champs magnétiques de leur intérieur et sont fortement diamagnétiques.

Il existe divers autres types de magnétisme, tels que le verre de spin, le superparamagnétisme, le superdiamagnétisme et le métamagnétisme.

Utilisations courantes

Séparateur de main magnétique pour les minéraux lourds

• Médias d’enregistrement magnétique: les bandes VHS contiennent une bobine de ruban magnétique. Les informations qui composent la vidéo et le son sont codées sur le revêtement magnétique sur la bande. Les cassettes audio communes reposent également sur du ruban magnétique. De même, dans les ordinateurs, les disquettes et les disques durs enregistrent des données sur un revêtement magnétique mince. ^[25]
• Crédit, débit et cartes de machine à dire: toutes ces cartes ont une bande magnétique d’un côté. Cette bande code pour contacter l’institution financière d’une personne et se connecter avec son (s) compte (s). ^[26]
• Types plus anciens de téléviseurs (écran non plat) et de grands moniteurs d’ordinateur plus anciens: les écrans de télévision et d’ordinateur contenant un tube à rayons cathodiques utilisent un électromêne pour guider les électrons à l’écran. ^[27]
• Haut-parleurs et microphones: la plupart des haut-parleurs utilisent un aimant permanent et une bobine de transport du courant pour convertir l’énergie électrique (le signal) en énergie mécanique (mouvement qui crée le son). La bobine est enroulée autour d’une bobine attachée au cône du haut-parleur et transporte le signal comme un courant qui interagit avec le champ de l’aimant permanent. La bobine vocale ressent une force magnétique et en réponse, déplace le cône et fait pression sur l’air voisin, générant ainsi le son. Les microphones dynamiques utilisent le même concept, mais à l’envers. Un microphone a un diaphragme ou une membrane attachée à une bobine de fil. La bobine repose à l’intérieur d’un aimant de forme spéciale. Lorsque le son vibre la membrane, la bobine est également vibrée. Lorsque la bobine se déplace à travers le champ magnétique, une tension est induite à travers la bobine. Cette tension entraîne un courant dans le fil caractéristique du son d’origine.
• Les guitares électriques utilisent des micros magnétiques pour transduire la vibration des cordes de guitare dans le courant électrique qui peut ensuite être amplifié. Ceci est différent du principe derrière le haut-parleur et le microphone dynamique car les vibrations sont détectées directement par l’aimant, et un diaphragme n’est pas utilisé. L’organe Hammond a utilisé un principe similaire, avec des roues de ton rotatives au lieu de cordes.
• Moteurs électriques et générateurs: certains moteurs électriques reposent sur une combinaison d’un électroaim et d’un aimant permanent, et, tout comme des haut-parleurs, ils convertissent l’énergie électrique en énergie mécanique. Un générateur est l’inverse: il convertit l’énergie mécanique en énergie électrique en déplaçant un conducteur à travers un champ magnétique.
• Médecine: Les hôpitaux utilisent l’imagerie par résonance magnétique pour repérer les problèmes des organes d’un patient sans chirurgie invasive.
• Chimie: les chimistes utilisent une résonance magnétique nucléaire pour caractériser les composés synthétisés.
• Les enfants sont utilisés dans le champ de travail des métaux pour contenir des objets. Les aimants sont également utilisés dans d’autres types de dispositifs de fixation, tels que la base magnétique, la pince magnétique et l’aimant du réfrigérateur.
• Compasse: une boussole (ou la boussole de Mariner) est un pointeur magnétisé libre pour s’aligner sur un champ magnétique, le plus souvent le champ magnétique de la Terre.
• ART: Les feuilles d’aimant en vinyle peuvent être attachées à des peintures, des photographies et d’autres articles ornementaux, ce qui leur permet d’être attaché aux réfrigérateurs et autres surfaces métalliques. Les objets et la peinture peuvent être appliqués directement sur la surface de l’aimant pour créer des pièces d’art de collage. Boches magnétiques métalliques, bandes, portes, fours à micro-ondes, lave-vaisselle, voitures, poutres en métal I et toute surface métallique peut être utilisée en vinyle magnétique.
• Projets scientifiques: De nombreuses questions de sujet sont basées sur des aimants, y compris la répulsion des fils de transport du courant, l’effet de la température et les moteurs impliquant des aimants. ^[28]

Les aimants ont de nombreuses utilisations dans les jouets. M-Tic utilise des tiges magnétiques connectées aux sphères métalliques pour la construction.

• Jouets: Compte tenu de leur capacité à contrer la force de gravité à bout portant, les aimants sont souvent utilisés dans les jouets pour enfants, tels que la roue spatiale de l’aimant et le lévitron, à un effet amusant.
• Les aimants du réfrigérateur sont utilisés pour orner les cuisines, comme souvenir, ou simplement pour tenir une note ou une photo à la porte du réfrigérateur.
• Les aimants peuvent être utilisés pour fabriquer des bijoux. Les colliers et les bracelets peuvent avoir un fermoir magnétique, ou peuvent être construits entièrement à partir d’une série liée d’aimants et de perles ferrous.
• Les aimants peuvent ramasser des articles magnétiques (ongles de fer, agrafes, punaises, trombones) qui sont trop petits, trop difficiles à atteindre ou trop minces pour que les doigts puissent tenir. Certains tournevis sont magnétisés à cet effet.
• Les aimants peuvent être utilisés dans les opérations de ferraille et de récupération pour séparer les métaux magnétiques (fer, cobalt et nickel) à partir de métaux non magnétiques (aluminium, alliages non ferreux, etc.). La même idée peut être utilisée dans le soi-disant «test de l’aimant», dans lequel un châssis de voiture est inspecté avec un aimant pour détecter les zones réparées à l’aide de mastic en fibre de verre ou en plastique.
• Les aimants se trouvent dans les industries de processus, la fabrication des aliments en particulier, afin d’éliminer les corps étrangers en métal des matériaux entrant dans le processus (matières premières) ou de détecter une éventuelle contamination à la fin du processus et avant l’emballage. Ils constituent une couche importante de protection pour l’équipement de processus et pour le consommateur final. ^[29]
• Le transport magnétique de la lévitation, ou maglev, est un transport qui suspend, guide et propulse les véhicules (en particulier les trains) par la force électromagnétique. L’élimination de la résistance au roulement augmente l’efficacité. La vitesse enregistrée maximale d’un train maglev est de 581 kilomètres par heure (361 mph).
• Les aimants peuvent être utilisés pour servir de périphérique à sécurité pour certaines connexions de câble. Par exemple, les cordons d’alimentation de certains ordinateurs portables sont magnétiques pour éviter des dommages accidentels au port lorsqu’ils sont déclenchés. La connexion d’alimentation MAGSAFE à l’Apple MacBook en est un exemple.

Problèmes médicaux et sécurité

Parce que les tissus humains ont un très faible niveau de sensibilité aux champs magnétiques statiques, il existe peu de preuves scientifiques traditionnelles montrant un effet de santé associé à l’exposition aux champs statiques. Les champs magnétiques dynamiques peuvent cependant être un problème différent; Les corrélations entre le rayonnement électromagnétique et les taux de cancer ont été postulées en raison de corrélations démographiques (voir le rayonnement et la santé électromagnétiques).

Si un corps étranger ferromagnétique est présent dans le tissu humain, un champ magnétique externe interagissant avec lui peut présenter un risque de sécurité grave. ^[30]

Un type différent de risque de santé magnétique indirecte existe impliquant des stimulateurs cardiaques. Si un stimulateur cardiaque a été ancré dans la poitrine d’un patient (généralement dans le but de surveiller et de réguler le cœur pour des battements réguliers induits électriquement), il faut veiller à l’éloigner des champs magnétiques. C’est pour cette raison qu’un patient avec l’appareil installé ne peut pas être testé avec l’utilisation d’un dispositif d’imagerie par résonance magnétique.

Les enfants avalent parfois les petits aimants des jouets, et cela peut être dangereux si deux aimants ou plus sont avalés, car les aimants peuvent pincer ou percer les tissus internes. ^{[trente et un]}

Les dispositifs d’imagerie magnétique (par exemple les IRM) génèrent d’énormes champs magnétiques, et donc les pièces destinées à les maintenir excluent les métaux ferreux. Amener des objets en métaux ferreux (comme les cartouches d’oxygène) dans une telle pièce crée un risque de sécurité sévère, car ces objets peuvent être puissamment jetés par les champs magnétiques intenses.

Ferromagnets magnétisants

Les matériaux ferromagnétiques peuvent être magnétisés de la manière suivante:

• Chauffage de l’objet plus haut que sa température de Curie, lui permettant de refroidir dans un champ magnétique et de le marteler à mesure qu’il refroidisse. Il s’agit de la méthode la plus efficace et similaire aux processus industriels utilisés pour créer des aimants permanents.
• La mise en place de l’élément dans un champ magnétique externe entraînera la rétention de l’élément de retenue d’une partie du magnétisme. Il a été démontré que les vibrations augmentent l’effet. Il a été démontré que les matériaux ferreux alignés sur le champ magnétique terrestre qui sont soumis à des vibrations (par exemple, le cadre d’un convoyeur) acquiert un magnétisme résiduel important. De même, frapper un ongle en acier tenu par des doigts dans une direction N-S avec un marteau de magnétiser temporairement l’ongle.
• Coutrage: un aimant existant est déplacé d’une extrémité de l’élément à l’autre dans la même direction ( toucher unique Méthode) ou deux aimants sont déplacés vers l’extérieur du centre d’un tiers ( double touche méthode). ^[32]
• Courant électrique: Le champ magnétique produit en passant un courant électrique à travers une bobine peut faire aligner les domaines. Une fois que tous les domaines sont alignés, l’augmentation du courant n’augmentera pas la magnétisation. ^[33]

Démagnétiser les ferromagnets

Les matériaux ferromagnétiques magnétisés peuvent être démagnétisés (ou dégauffés) de la manière suivante:

• Chauffer un aimant devant sa température de Curie; Le mouvement moléculaire détruit l’alignement des domaines magnétiques. Cela supprime toujours toute la magnétisation.
• Placer l’aimant dans un champ magnétique alterné avec une intensité au-dessus de la coercivité du matériau, puis en tirant lentement l’aimant ou en diminuant lentement le champ magnétique à zéro. Ceci est le principe utilisé dans les démagnétiseurs commerciaux pour démagnétiser les outils, effacer les cartes de crédit, les disques durs et les bobines de dégât utilisées pour démagnétiser les CRT.
• Une certaine démagnétisation ou aimantation inverse se produira si une partie de l’aimant est soumise à un champ inverse au-dessus de la coercivité du matériau magnétique.
• La démagnétisation se produit progressivement si l’aimant est soumis à des champs cycliques suffisants pour éloigner l’aimant de la partie linéaire du deuxième quadrant de la courbe B – H du matériau magnétique (la courbe de démagnétisation).
• Martelier ou secouer: les perturbations mécaniques ont tendance à randomiser les domaines magnétiques et à réduire la magnétisation d’un objet, mais peuvent causer des dommages inacceptables.

Types d’aimants permanents

Éléments métalliques magnétiques

De nombreux matériaux ont des spins d’électrons non appariés et la majorité de ces matériaux sont paramagnétiques. Lorsque les tours interagissent les uns avec les autres de telle manière que les tours s’alignent spontanément, les matériaux sont appelés ferromagnétiques (ce qui est souvent vaguement appelé magnétique). En raison de la façon dont leur structure atomique cristalline régulière provoque l’interaction de leurs tours, certains métaux sont ferromagnétiques lorsqu’ils sont trouvés dans leurs états naturels, comme les minerais. Il s’agit notamment du minerai de fer (magnétite ou de la littorale), du cobalt et du nickel, ainsi que les métaux de terres rares gadolinium et dysprosium (lorsqu’ils sont à très basse température). De tels ferromagnets naturels ont été utilisés dans les premières expériences avec le magnétisme. Depuis, la technologie a élargi la disponibilité de matériaux magnétiques pour inclure divers produits artificiels, tous basés, cependant, sur des éléments naturellement magnétiques.

Matériaux composites

Les aimants en céramique ou en ferrite sont faits d’un composite fritté d’oxyde de fer en poudre et de céramique de barbonate de baryum / strontium. Compte tenu du faible coût des matériaux et des méthodes de fabrication, des aimants bon marché (ou des noyaux ferromagnétiques non magnétisés, pour une utilisation dans des composants électroniques tels que les antennes radio AM portables) de diverses formes peuvent être facilement produites en masse. Les aimants résultants sont non corrodants mais cassants et doivent être traités comme d’autres céramiques.

Les aimants Alnico sont fabriqués en coulant ou en fritant une combinaison d’aluminium, de nickel et de cobalt avec du fer et de petites quantités d’autres éléments ajoutés pour améliorer les propriétés de l’aimant. Le frittage offre des caractéristiques mécaniques supérieures, tandis que la coulée offre des champs magnétiques plus élevés et permet la conception de formes complexes. Les aimants Alnico résistent à la corrosion et ont des propriétés physiques plus indulgentes que la ferrite, mais pas aussi souhaitables qu’un métal. Les noms commerciaux contre les alliages dans cette famille comprennent: Alni, Alcoomax, Hycomax, Columax , et Ticonal . ^[34]

Les aimants moulés par injection sont un composite de différents types de résine et de poudres magnétiques, permettant de fabriquer des parties de formes complexes par moulage par injection. Les propriétés physiques et magnétiques du produit dépendent des matières premières, mais sont généralement plus faibles dans la résistance magnétique et ressemblent à des plastiques dans leurs propriétés physiques.

Aimant flexible

Les aimants flexibles sont composés d’un composé ferromagnétique à haute coercivité (généralement oxyde ferrique) mélangé à un liant polymère résineux. ^[35] Ceci est extrudé sous forme de feuille et passé sur une ligne d’aimants permanents cylindriques puissants. Ces aimants sont disposés dans une pile avec des poteaux magnétiques alternés vers le haut (n, s, n, s …) sur un arbre rotatif. Cela impressionne la feuille en plastique avec les pôles magnétiques dans un format de ligne alternatif. Aucun électromagnétisme n’est utilisé pour générer les aimants. La distance de pôle-pole est de l’ordre de 5 mm, mais varie avec le fabricant. Ces aimants sont plus faibles en résistance magnétique mais peuvent être très flexibles, selon le liant utilisé. ^[36]

Pour les composés magnétiques (par ex. ND ₂ Fe ₁₄ B) qui sont vulnérables à un problème de corrosion des limites des grains, il offre une protection supplémentaire. ^[35]

Aimants rare

Aimants en forme ovoïde (éventuellement hématine), un suspendu à un autre

Les éléments de terres rares (lanthanoïdes) ont une partie partiellement occupée F coque d’électrons (qui peut accueillir jusqu’à 14 électrons). La rotation de ces électrons peut être alignée, ce qui entraîne des champs magnétiques très forts, et par conséquent, ces éléments sont utilisés dans des aimants compacts à haute résistance où leur prix plus élevé n’est pas une préoccupation. Les types les plus courants d’aimants en Terre rare sont les aimants samarium-cobalt et néodyme – fer-boron (NIB).

Aimants à molécule unique (SMM) et aimants à chaîne unique (SCMS)

Dans les années 1990, il a été découvert que certaines molécules contenant des ions métalliques paramagnétiques sont capables de stocker un moment magnétique à des températures très basses. Ceux-ci sont très différents des aimants conventionnels qui stockent les informations à un niveau de domaine magnétique et pourraient théoriquement fournir un milieu de stockage beaucoup plus dense que les aimants conventionnels. Dans ce sens, des recherches sur les monocouches de SMM sont actuellement en cours. Très brièvement, les deux principaux attributs d’un SMM sont:

1. une grande valeur de spin à l’état fondamental ( S ), qui est fourni par couplage ferromagnétique ou ferrimagnétique entre les centres métalliques paramagnétiques
2. une valeur négative de l’anisotropie de la division du champ zéro ( D )

La plupart des SMM contiennent du manganèse mais peuvent également être trouvés avec les grappes de vanadium, de fer, de nickel et de cobalt. Plus récemment, il a été constaté que certains systèmes de chaîne peuvent également afficher une magnétisation qui persiste pendant de longues fois à des températures plus élevées. Ces systèmes ont été appelés aimants à chaîne unique.

Aimants nano-structurés

Certains matériaux nano-structurés présentent des ondes énergétiques, appelées magnons, qui fusionnent dans un état fondamental commun à la manière d’un condensat Bose – Einstein. ^{[37] [38]}

Aimants permanents sans terre rare

Le Département de l’Énergie des États-Unis a identifié la nécessité de trouver des substituts des métaux rare-terrains dans la technologie aimant permanente et a commencé à financer de telles recherches. L’Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) a parrainé un programme Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT) pour développer des matériaux alternatifs. En 2011, l’ARPA-E a accordé 31,6 millions de dollars pour financer des projets de substitut rare-terrasse. ^[39]

Frais

Le courant ^{[mise à jour]} Les aimants permanents les moins chers, permettant les forces sur le terrain, sont des aimants flexibles et en céramique, mais ceux-ci sont également parmi les types les plus faibles. Les aimants en ferrite sont principalement des aimants à faible coût car ils sont fabriqués à partir de matières premières bon marché: oxyde de fer et ba- ou sr-carbonate. Cependant, un nouvel aimant à faible coût, l’alliage Mn – Al, ^{[35] [ Source non primaire nécessaire ]] [40]} a été développé et domine désormais le champ des aimants à faible coût. ^{[ citation requise ]]} Il a une magnétisation de saturation plus élevée que les aimants de ferrite. Il a également des coefficients de température plus favorables, bien qu’il puisse être thermiquement instable.
Les aimants néodymium-fer – boron (NIB) sont parmi les plus forts. Ceux-ci coûtent plus par kilogramme que la plupart des autres matériaux magnétiques mais, en raison de leur domaine intense, sont plus petits et moins chers dans de nombreuses applications. ^[41]

Température

La sensibilité à la température varie, mais lorsqu’un aimant est chauffé à une température connue sous le nom de Curie Point, il perd tout son magnétisme, même après refroidissement en dessous de cette température. Cependant, les aimants peuvent souvent être remagnétisés.

De plus, certains aimants sont cassants et peuvent se fracturer à des températures élevées.

La température maximale utilisable est la plus élevée pour les aimants Alnico à plus de 540 ° C (1000 ° F), environ 300 ° C (570 ° F) pour la ferrite et le SMCO, environ 140 ° C (280 ° F) pour la plume et plus bas pour la céramique flexible , mais les nombres exacts dépendent de la note du matériau.

Électromaignes

Un électroaim, sous sa forme la plus simple, est un fil qui a été enroulé en une ou plusieurs boucles, appelée solénoïde. Lorsque le courant électrique traverse le fil, un champ magnétique est généré. Il est concentré près (et surtout à l’intérieur) de la bobine, et ses lignes de champ sont très similaires à celles d’un aimant. L’orientation de cet aimant effectif est déterminée par la règle de droite. Le moment magnétique et le champ magnétique de l’électromaigrette sont proportionnels au nombre de boucles de fil, à la coupe transversale de chaque boucle et au courant passant par le fil. ^[42]

Si la bobine de fil est enroulée autour d’un matériau sans propriétés magnétiques spéciales (par exemple, en carton), elle aura tendance à générer un champ très faible. Cependant, s’il est enroulé autour d’un matériau ferromagnétique doux, comme un ongle de fer, le champ net produit peut entraîner une augmentation de plusieurs cent à mille fois de la résistance du champ.

Les utilisations des électromaignes comprennent les accélérateurs de particules, les moteurs électriques, les grues de junkyard et les machines d’imagerie par résonance magnétique. Certaines applications impliquent des configurations plus qu’un simple dipôle magnétique; Par exemple, les aimants quadrupôles et sextupoles sont utilisés pour concentrer les faisceaux de particules.

Unités et calculs

Pour la plupart des applications d’ingénierie, les unités MKS (rationalisées) ou SI (Système International) sont couramment utilisées. Deux autres ensembles d’unités, gaussiens et CGS-EMU, sont les mêmes pour les propriétés magnétiques et sont couramment utilisés en physique. ^{[ citation requise ]]}

Dans toutes les unités, il est pratique d’utiliser deux types de champs magnétiques, B et H , ainsi que l’aimantation M , défini comme le moment magnétique par unité de volume.

1. Le champ d’induction magnétique B est donné en unités SI de Teslas (t). B est le champ magnétique dont la variation du temps produit, par la loi de Faraday, les champs électriques en circulation (que les sociétés d’électricité vendent). B produit également une force de déviation sur les particules chargées en mouvement (comme dans les tubes TV). Le Tesla est équivalent au flux magnétique (dans Webers) par unité de zone (en mètres carrés), donnant ainsi B L’unité d’une densité de flux. En CGS, l’unité de B est le Gauss (G). Une Tesla équivaut à 10 ⁴ G.
2. Le champ magnétique H est donné dans des unités SI de tours d’ampère par mètre (tour à feu / m). Le se tourne apparaissent parce que quand H est produit par un fil de transport en courant, sa valeur est proportionnelle au nombre de virages de ce fil. En CGS, l’unité de H est l’OER (OE). Un tour / m est égal à 4π × 10 ⁻³ Es-tu.
3. La magnétisation M est donné en unités SI d’ampères par mètre (A / m). En CGS, l’unité de M est l’OER (OE). Un a / m est égal à 10 ⁻³ EMU / CM ³ . Un bon aimant permanent peut avoir une magnétisation aussi grande qu’un million d’ampères par mètre.
4. En unités SI, la relation B = m ₀ ( H + M ) tient, où m ₀ est la perméabilité de l’espace, qui équivaut à 4π × 10 ⁻⁷ T • M / A. En CGS, il est écrit comme B = H + 4p M . (L’approche du poteau donne m ₀ H en unités SI. UN m ₀ M Le terme dans SI doit alors compléter ce m ₀ H pour donner le champ correct à l’intérieur B , l’aimant. Il sera d’accord avec le champ B calculé à l’aide de courants ampèriens).

Les matériaux qui ne sont pas des aimants permanents satisfont généralement la relation M = X H en si, où X est la sensibilité magnétique (sans dimension). La plupart des matériaux non magnétiques ont un X (de l’ordre d’un millionième), mais les aimants mous peuvent avoir X par ordre de centaines ou de milliers. Pour les matériaux satisfaisants M = X H , nous pouvons aussi écrire B = m ₀ (1+ X ) H = m ₀ m _r H = m H , où m _r = 1+ X est la perméabilité relative (sans dimension) et μ = μ ₀ m _r est la perméabilité magnétique. Les aimants durs et mous ont un comportement plus complexe et dépendant de l’histoire décrit par ce qu’on appelle les boucles d’hystérésis, qui donnent soit B contre. H ou M contre. H . En CG, M = X H , mais X _ET = 4 par exemple _CGS et µ = m _r .

ATTENTION: En partie parce qu’il n’y a pas assez de symboles romains et grecs, il n’y a pas de symbole couramment convenu pour la force du pôle magnétique et le moment magnétique. Le symbole m a été utilisé pour les deux pôles (unité A • m, où ici le montant m est pour le mètre) et pour le moment magnétique (unité A • M ² ). Le symbole m a été utilisé dans certains textes pour la perméabilité magnétique et dans d’autres textes pour le moment magnétique. Nous utiliserons m pour la perméabilité magnétique et m pour un moment magnétique. Pour la force de la perche, nous utiliserons q _m . Pour un aimant à barre de la section UN avec aimantation uniforme M le long de son axe, la résistance au poteau est donnée par q _m = Et , de sorte que M peut être considéré comme une résistance au poteau par unité de zone.

Champs d’un aimant

Lignes de champ d’aimants cylindriques avec divers rapports d’aspect

Loin d’un aimant, le champ magnétique créé par cet aimant est presque toujours décrit (à une bonne approximation) par un champ dipolaire caractérisé par son moment magnétique total. Cela est vrai quelle que soit la forme de l’aimant, tant que le moment magnétique est non nul. Une caractéristique d’un champ dipolaire est que la force du champ tombe inversement avec le cube de la distance du centre de l’aimant.

Plus près de l’aimant, le champ magnétique devient plus compliqué et plus dépendant de la forme détaillée et de l’aimantation de l’aimant. Formellement, le champ peut être exprimé comme une expansion multipolaire: un champ dipolaire, plus un champ quadripol, plus un champ d’octupole, etc.

À courte portée, de nombreux champs différents sont possibles. Par exemple, pour un long aimant à barre maigre avec son pôle Nord à une extrémité et un pôle sud à l’autre, le champ magnétique près de chaque extrémité tombe inversement avec le carré de la distance de ce poteau.

Calcul de la force magnétique

Force de traction d’un seul aimant

La force d’un aimant donné est parfois donnée en termes de son force de traction – sa capacité à tirer des objets ferromagnétiques. ^[43] La force de traction exercée par un électroaim ou un aimant permanent sans espace d’air (c’est-à-dire que l’objet ferromagnétique est en contact direct avec le poteau de l’aimant ^[44] ) est donné par l’équation de Maxwell: ^[45]

${displayStyle f = {{b ^ {2} a} sur {2mu _ {0}}}}$

,

où

F Est Force (SI Unit: Newton)

UN est la section transversale de la zone du poteau en mètres carrés

B L’induction magnétique est-elle exercée par l’aimant

Ce résultat peut être facilement dérivé en utilisant le modèle Gilbert, qui suppose que le pôle d’aimant est chargé de monopoles magnétiques qui induisent le même dans l’objet ferromagnétique.

Si un aimant agit verticalement, il peut soulever une masse m dans les kilogrammes donnés par l’équation simple:

${displayStyle m = {{b ^ {2} a} sur {2Mu _ {0} g}},}$

où g est l’accélération gravitationnelle.

Force entre deux pôles magnétiques

Classiquement, la force entre deux pôles magnétiques est donnée par: ^{[quarante-six]}

${displayStyle f = {{mu q_ {m1} q_ {m2}} sur {4pi r ^ {2}}}}$

où

F Est Force (SI Unit: Newton)

q _{m d’abord} et q _{m 2} sont les amplitudes des poteaux magnétiques (unité SI: Ampère-mètre)

m est la perméabilité du milieu intermédiaire (unité SI: Tesla mètre par ampère, Henry par mètre ou Newton par ampère au carré)

r est la séparation (unité SI: compteur).

La description du poteau est utile aux ingénieurs concevant des aimants réels, mais les aimants réels ont une distribution de poteau plus complexe qu’un seul nord et sud. Par conséquent, la mise en œuvre de l’idée du pôle n’est pas simple. Dans certains cas, l’une des formules les plus complexes ci-dessous sera plus utile.

Force entre deux surfaces magnétisées à proximité de la zone UN

La force mécanique entre deux surfaces magnétisées à proximité peut être calculée avec l’équation suivante. L’équation n’est valable que pour les cas où l’effet de la frange est négligeable et le volume de l’espace d’air est beaucoup plus petit que celui du matériau magnétisé: ^{[47] [48]}

${displayStyle f = {frac {mu _ {0} h ^ {2} a} {2}} = {frac {b ^ {2} a} {2Mu _ {0}}}}$

où:

UN est la zone de chaque surface, en m ²

H est leur champ de magnétisation, en A / M

m ₀ est la perméabilité de l’espace, qui équivaut à 4π × 10 ⁻⁷ T • M / A

B est la densité de flux, dans T.

Force entre deux aimants à barres

La force entre deux aimants de barre cylindrique identiques placés à bout à bout à grande distance

est d’environ: ^{[ douteux – discuter ]]} , ^[47]

${displayStyle fsimeq gauche [{frac {b_ {0} ^ {2} a ^ {2} Left (l ^ {2} + r ^ {2} droit)} {pi mu _ {0} l ^ {2}} } droite] gauche [{frac {1} {z ^ {2}}} + {frac {1} {(z + 2l) ^ {2}}} – {frac {2} {(z + l) ^ {{ 2}}} à droite]}$

où:

B ₀ La densité de flux magnétique est-elle très proche de chaque pôle, en t,

UN est la zone de chaque pôle, en m ² ,

L est la longueur de chaque aimant, en m,

R est le rayon de chaque aimant, en m, et

Avec est la séparation entre les deux aimants, dans m.

${displayStyle b_ {0}, =, {frac {mu _ {0}} {2}} m}$

Relade la densité de flux au niveau du poteau à l’aimantation de l’aimant.

Notez que toutes ces formulations sont basées sur le modèle de Gilbert, qui est utilisable dans des distances relativement grandes. Dans d’autres modèles (par exemple, le modèle d’Ampère), une formulation plus compliquée est utilisée qui ne peut parfois pas être résolue analytiquement. Dans ces cas, des méthodes numériques doivent être utilisées.

Force entre deux aimants cylindriques

Pour deux aimants cylindriques avec rayon

et longueur

, avec leur dipôle magnétique aligné, la force peut être asymptotiquement approximée à grande distance

par, ^[49]

${displayStyle f (z) Simeq {frac {pi mu _ {0}} {4}} m ^ {2} r ^ {4} Left [{frac {1} {z ^ {2}}} + {frac { 1} {(z + 2l) ^ {2}}} – {frac {2} {(z + l) ^ {2}}} droit]}$

où

est l’aimantation des aimants et

est l’écart entre les aimants.
Une mesure de la densité de flux magnétique très proche de l’aimant

est liée à

environ par la formule

${displayStyle b_ {0} = {frac {mu _ {0}} {2}} m}$

Le dipôle magnétique efficace peut être écrit comme

${displayStyle m = mv}$

Où

est le volume de l’aimant. Pour un cylindre, c’est

.

Quand

, l’approximation dipolaire ponctuelle est obtenue,

${DisplayStyle f (x) = {frac {3pi mu _ {0}}} {2}} m ^ {2} r ^} l ^ {2} {frac {1} {z ^ {4}}} = { frac {3Mu _ {0}} {2pi}} m ^ {2} v ^ {2} {frac {1} {z ^ {4}}} = {frac {3Mu _ {0}} {2pi}} m_ {1} m_ {2} {frac {1} {z ^ {4}}}}}$

qui correspond à l’expression de la force entre deux dipôles magnétiques.

Voir également

Remarques

Les références

Liens externes

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