Aimant permanent

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Qu'est-ce qu'un aimant permanent ?

Les aimants permanents sont des matériaux qui présentent des forces magnétiques constantes. Ils peuvent attirer des matériaux ferromagnétiques (par exemple du fer) ou se repousser mutuellement aux pôles identiques (pôle nord au pôle nord, pôle sud au pôle sud). La démagnétisation d'un aimant permanent est possible sous l'effet de la chaleur, par un choc mécanique important ou par des champs magnétiques extérieurs puissants. Outre les aimants permanents, il existe également des électroaimants.

Table des matières

Le pôle nord d'un aimant permanent attire le pôle sud d'un autre aimant permanent et inversement. En revanche, des forces magnétiques répulsives agissent entre des pôles identiques (pôle nord contre pôle nord, pôle sud contre pôle sud). Des matérieux ferromagnétiques (fer, cobalt, nickel et certains alliages) sont en principe attirés par les aimants permanents.

Les aimants permanents sont des matériaux magnétiques qui, contrairement aux électro-aimants, n'ont pas besoin de courant pour leur champ magnétique. Les aimants permanents sont toujours constitués de matériaux ferromagnétiques dont les aimants élémentaires, les spins atomiques, ont été alignés parallèlement par un processus de magnétisation.

Cela peut se produire lors du refroidissement de roches ferromagnétiques qui avaient fondu. De telles pierres ont été découvertes par les Grecs anciens près de la ville de Magnésie. La ville de Magnésie a donc donné son nom au magnétisme.

Des aimants permanents peuvent aussi être fabriqués artificiellement. Pour ce faire, des métaux fortement ferromagnétiques, généralement des alliages comme le samarium-cobalt, sont magnétisés par des champs magnétiques externes puissants. Ce processus d'aimantation présente ce que l'on appelle une hystérésis, donc un comportement non symétrique du matériau lorsque le champ magnétique extérieur est augmenté puis diminué. L'hystérésis est due au fait que l'orientation des aimants élémentaires dans le ferro-aimant est stabilisée par l'interaction d'échange et qu'un matériau déjà magnétisé a donc des propriétés différentes de celles d'un ferro-aimant qui ne l'est pas encore.

En raison de l'hystérésis, un champ magnétique subsiste dans le ferro-aimant, même lorsque le champ magnétique extérieur est désactivé. Le matériau magnétisé devient ainsi un aimant permanent. La densité du flux magnétique restant est appelée rémanence.

Démagnétisation des aimants permanents

Alors qu'un électroaimant peut être désactivé simplement en coupant le courant et que sa polarité peut être inversée en inversant le sens du courant, il n'est pas possible de désactiver facilement un aimant permanent. D'où le terme "permanent". Un aimant permanent reste magnétique jusqu'à ce que l'orientation des spins atomiques soit à nouveau perturbée par une action extérieure (chaleur, chocs violents, champs magnétiques). Les forces magnétiques disparaissent et le matériau devrait être magnétisé à nouveau. Dans le cas extrême, le matériau peut même être endommagé. Tout aimant permanent possède ainsi une température température maximale d'utilisation. Au-delà de cette température, des dommages peuvent survenir. Au-delà de la température de Curie spécifique au matériau, l'aimant est complètement démagnétisé.

La force des aimants permanents

La force d'un aimant permanent dépend du matériau utilisé, mais aussi de la précision avec laquelle l'aimantation du matériau est réalisée. L'aimantation ne conduit à une grande rémanence que si un alignement complet de tous les spins atomiques est obtenu. Cela nécessite un matériau approprié et un savoir-faire technique.

Comme décrit par les équations de Maxwell, les champs magnétiques proviennent toujours de charges en mouvement. Les champs magnétiques n'existent que par le mouvement des charges, ce qui crée toujours un champ magnétique avec un pôle nord et un pôle sud.

Les forces magnétiques des aimants permanents s'expliquent par le mouvement microscopique des charges dans la matière. Les électrons se déplacent ainsi à grande vitesse dans les atomes en ayant un spin électronique caractéristique. Du mouvement global des électrons résulte un moment magnétique et donc une force magnétique.
Les forces magnétiques agissent toujours le long du champ magnétique. Celui-ci peut être représenté par des lignes de champ. Les lignes de champ indiquent alors également la direction et l'intensité des forces magnétiques.

Une boucle conductrice parcourue par un courant (illustration de gauche) génère un champ magnétique. L'intensité de ce champ magnétique est mesurée par le moment magnétique. Dans un matériau ferromagnétique (au centre) se trouvent de nombreux moments magnétiques. S'ils sont tous alignés parallèlement, il en résulte un aimant permanent. L'aimant permanent a un champ magnétique identique au champ magnétique d'une bobine. Dans l'image ici, seules quelques lignes de champ sont indiquées de manière schématique. Des aimants permanents peuvent être fabriqués dans différentes formes. A droite, on voit un aimant en fer à cheval. Dans un aimant fer à cheval, les pôles nord et sud se trouvent face à face. Comme les lignes de champ magnétique sont toujours fermées dans leur ensemble, elles vont du pôle nord au pôle sud et reviennent ensuite au pôle nord dans le matériau. Dans l'entrefer de l'aimant en fer à cheval, on obtient ainsi un champ magnétique homogène avec des lignes de champ parallèles entre les pôles.

Les forces magnétiques d'un aimant permanent dépendent principalement de la taille des moments magnétiques atomiques et de leur alignement plus ou moins complet, ainsi que de l'importance de l'interaction d'échange. Ces grandeurs influent également sur la totalité de l'énergie magnétique stockée dans un aimant permanent. L'énergie magnétique est mesurée par le produit énergétique. Le produit énergétique détermine la qualité d'un aimant. La qualité est d'autant plus grande que le produit énergétique, et donc l'énergie magnétique de l'aimant permanent, est élevé.

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Auteur:
Dr Franz-Josef Schmitt

Dr. Franz-Josef Schmitt est physicien et directeur scientifique des cours pratiques avancés de physique à l'université Martin-Luther de Halle-Wittenberg. Il a travaillé à l'université technique de 2011 à 2019 et a dirigé divers projets pédagogiques ainsi que le laboratoire de projets en chimie. Ses recherches se concentrent sur la spectroscopie de fluorescence résolue en temps sur des macromolécules biologiquement actives. Il est également directeur de Sensoik Technologies GmbH.

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