Aimants permanents

Il y a des siècles, on a découvert que certains types de roches minérales possédaient des propriétés d'attraction inhabituelles pour le fer métallique. Un minéral particulier, appelé lodestone , ou magnétite , se trouve mentionné dans des documents historiques très anciens (il y a environ 2500 ans en Europe, et beaucoup plus tôt en Extrême-Orient) comme un sujet de curiosité.

Plus tard, il a été utilisé pour aider à la navigation, car il a été constaté qu'un morceau de cette roche inhabituelle aurait tendance à s'orienter dans une direction nord-sud s'il était laissé libre de tourner (suspendu à une ficelle ou à un flotteur dans l'eau) .

Une étude scientifique entreprise en 1269 par Peter Peregrinus a révélé que l'acier pouvait être « chargé » de cette propriété inhabituelle de la même manière après avoir été frotté contre l'un des « pôles » d'un morceau de magnétite.

Contrairement aux charges électriques (telles que celles observées lorsque l'ambre est frotté contre un tissu), les objets magnétiques possédaient deux pôles d'effet opposé, notés « nord » et « sud » après leur auto-orientation vers la terre. Comme l'a découvert Peregrinus, il était impossible d'isoler l'un de ces pôles par lui-même en coupant un morceau de magnétite en deux :chaque pièce résultante possédait sa propre paire de pôles :

Comme les charges électriques, il n'y avait que deux types de pôles :nord et sud (par analogie, positif et négatif). Tout comme pour les charges électriques, les mêmes pôles se repoussent, tandis que les pôles opposés s'attirent. Cette force, comme celle causée par l'électricité statique, s'étendait de manière invisible dans l'espace et pouvait même traverser des objets tels que le papier et le bois avec peu d'effet sur la force.

Le philosophe-scientifique René Descartes a noté que ce « champ » invisible pouvait être cartographié en plaçant un aimant sous un morceau plat de tissu ou de bois et en saupoudrant de limaille de fer sur le dessus. Les limaille s'aligneront avec le champ magnétique, « cartographiant » sa forme. Le résultat montre comment le champ continue sans interruption d'un pôle d'un aimant à l'autre :

Comme pour tout type de champ (électrique, magnétique, gravitationnel), la quantité totale, ou effet, du champ est appelée un flux , tandis que la « poussée » provoquant la formation du flux dans l'espace est appelée force . Michael Faraday a inventé le terme « tube » pour désigner une chaîne de flux magnétique dans l'espace (le terme « ligne » est plus couramment utilisé maintenant). En effet, la mesure du flux de champ magnétique est souvent définie en termes de nombre de lignes de flux, bien qu'il soit douteux que de tels champs existent dans des lignes individuelles discrètes de valeur constante.

Les théories modernes du magnétisme soutiennent qu'un champ magnétique est produit par une charge électrique en mouvement, et donc il est théorisé que le champ magnétique d'aimants dits "permanents" tels que la magnétite est le résultat d'électrons dans les atomes de fer en rotation. uniformément dans la même direction.

Que les électrons des atomes d'un matériau soient ou non soumis à ce type de rotation uniforme est dicté par la structure atomique du matériau (un peu comme la conductivité électrique est dictée par la liaison des électrons dans les atomes d'un matériau). Ainsi, seuls certains types de substances réagissent avec les champs magnétiques, et encore moins ont la capacité de maintenir en permanence un champ magnétique.

Le fer est l'un de ces types de substances qui magnétisent facilement. Si un morceau de fer est amené à proximité d'un aimant permanent, les électrons dans les atomes du fer orientent leurs spins pour correspondre à la force du champ magnétique produit par l'aimant permanent, et le fer devient « magnétisé ». Le fer magnétisera de manière à incorporer les lignes de flux magnétique dans sa forme, ce qui l'attire vers l'aimant permanent, quel que soit le pôle de l'aimant permanent offert au fer :

Le fer auparavant non magnétisé devient magnétisé au fur et à mesure qu'il se rapproche de l'aimant permanent. Quel que soit le pôle de l'aimant permanent qui s'étend vers le fer, le fer se magnétisera de manière à être attiré vers l'aimant :

Référencement aux propriétés magnétiques naturelles du fer (latin ="ferrum"), un ferromagnétique le matériau est un matériau qui magnétise facilement (ses atomes constitutifs orientent facilement leurs spins électroniques pour se conformer à une force de champ magnétique externe). Tous les matériaux sont magnétiques dans une certaine mesure, et ceux qui ne sont pas considérés comme ferromagnétiques (facilement magnétisés) sont classés comme paramagnétiques (légèrement magnétique) ou diamagnétique (ont tendance à exclure les champs magnétiques). Des deux, les matériaux diamagnétiques sont les plus étranges. En présence d'un champ magnétique extérieur, ils se magnétisent en fait légèrement en sens inverse, de manière à repousser le champ extérieur !

Si un matériau ferromagnétique a tendance à conserver son aimantation après suppression d'un champ externe, on dit qu'il a une bonne rémanence . Ceci, bien sûr, est une qualité nécessaire pour un aimant permanent.

AVIS :

• Lodestone (également appelé Magnétite ) est un minéral magnétique « permanent » d'origine naturelle. Par « permanent », on entend que le matériau maintient un champ magnétique sans aucune aide extérieure. La caractéristique de tout matériau magnétique pour ce faire est appelée rémanence .
• Ferromagnétique les matériaux sont facilement magnétisés.
• Paramagnétique les matériaux sont magnétisés avec plus de difficulté.
• Diamagnétique les matériaux ont en fait tendance à repousser les champs magnétiques externes en se magnétisant dans la direction opposée.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Fiche de travail sur le magnétisme