Aimant

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Contexte

Un aimant est un matériau qui peut exercer une force notable sur d'autres matériaux sans réellement les contacter. Cette force est connue sous le nom de force magnétique et peut attirer ou repousser. Alors que tous les matériaux connus exercent une sorte de force magnétique, elle est si petite dans la plupart des matériaux qu'elle n'est pas facilement perceptible. Avec d'autres matériaux, la force magnétique est beaucoup plus grande, et ceux-ci sont appelés aimants. La Terre elle-même est un énorme aimant.

Certains aimants, appelés aimants permanents, exercent une force sur des objets sans aucune influence extérieure. Le fer Le minerai de magnétite, également connu sous le nom de magnétite, est un aimant permanent naturel. D'autres aimants permanents peuvent être réalisés en soumettant certains matériaux à une force magnétique. Lorsque la force est supprimée, ces matériaux conservent leurs propres propriétés magnétiques. Bien que les propriétés magnétiques puissent changer avec le temps ou à des températures élevées, ces matériaux sont généralement considérés comme magnétisés en permanence, d'où leur nom.

D'autres aimants sont appelés électro-aimants. Ils sont fabriqués en entourant certains matériaux d'une bobine de fil. Lorsqu'un courant électrique traverse la bobine, ces matériaux exercent une force magnétique. Lorsque le courant est coupé, la force magnétique de ces matériaux tombe à presque zéro. Les matériaux d'électroaimant conservent peu, voire aucune, propriétés magnétiques sans un flux de courant électrique dans la bobine.

Tous les aimants ont deux points où la force magnétique est la plus grande. Ces deux points sont appelés pôles. Pour un aimant barre rectangulaire ou cylindrique, ces pôles seraient aux extrémités opposées. L'un des pôles s'appelle pôle nord ou pôle nord et l'autre pôle est appelé pôle sud ou pôle sud. Cette terminologie reflète l'une des premières utilisations de matériaux magnétiques tels que la magnétite. Lorsqu'il était suspendu à une ficelle, le pôle nord de ces premières boussoles rudimentaires "cherchait" ou pointait toujours vers le nord. Cela a aidé les marins à juger de la direction à suivre pour atteindre des terres lointaines et rentrer chez eux.

Dans notre technologie actuelle, les applications magnétiques comprennent les boussoles, les moteurs électriques, les fours à micro-ondes, les distributeurs automatiques à pièces, les posemètres pour la photographie, les klaxons automobiles, les téléviseurs, les haut-parleurs et les magnétophones. Un simple porte-notes pour réfrigérateur et un appareil médical complexe d'imagerie par résonance magnétique utilisent tous deux des aimants.

Historique

La magnétite magnétique naturelle a été étudiée et utilisée par les Grecs dès 500 av. D'autres civilisations l'ont peut-être connu plus tôt que cela. Le mot aimant est dérivé du nom grec magnetis lithos, la pierre de magnésie, faisant référence à la région de la côte égéenne dans l'actuelle Turquie où ces pierres magnétiques ont été trouvées.

On pense généralement que la première utilisation d'une magnétite comme boussole s'est produite en Europe vers AD 1100 à A.D. 1200. Le terme magnétite vient de l'anglo-saxon qui signifie "pierre principale", ou littéralement, "la pierre qui mène". Le mot islandais est leider-stein, et a été utilisé dans les écrits de cette période en référence à la navigation des navires.

En 1600, le scientifique anglais William Gilbert a confirmé des observations antérieures concernant les pôles magnétiques et a conclu que la Terre était un aimant. En 1820, le scientifique néerlandais Hans Christian Oersted a découvert la relation entre l'électricité et le magnétisme, et le physicien français André Ampère a approfondi cette découverte en 1821.

Au début des années 1900, les scientifiques ont commencé à étudier des matériaux magnétiques autres que ceux à base de fer et d'acier. Dans les années 1930, les chercheurs avaient produit les premiers puissants aimants permanents en alliage Alnico. Des aimants en céramique encore plus puissants utilisant des éléments de terres rares ont été formulés avec succès dans les années 1970 avec de nouvelles avancées dans ce domaine dans les années 1980.

Aujourd'hui, les matériaux magnétiques peuvent être fabriqués pour répondre à de nombreuses exigences de performances différentes en fonction de l'application finale.

Matières premières

Lors de la fabrication d'aimants, les matières premières sont souvent plus importantes que le processus de fabrication. Les matériaux utilisés dans les aimants permanents (parfois appelés matériaux durs, reflétant l'utilisation précoce d'aciers alliés pour ces aimants) sont différents des matériaux utilisés dans les électro-aimants (parfois appelés matériaux mous, reflétant l'utilisation de fonte douce et malléable dans cette application).

Matériaux d'aimant permanent

Les magnétites à aimant permanent contiennent de la magnétite, un minéral de ferrite de fer dur et cristallin qui tire son magnétisme de l'effet du champ magnétique terrestre sur lui. Divers alliages d'acier peuvent également être magnétisés. La première grande étape dans le développement de matériaux d'aimants permanents plus efficaces a eu lieu dans les années 1930 avec le développement d'aimants en alliage Alnico. Ces aimants tirent leur nom des symboles chimiques des éléments aluminium-nickel-cobalt utilisés pour fabriquer l'alliage. Une fois magnétisés, les aimants Alnico ont entre 5 et 17 fois la force magnétique de la magnétite.

Les aimants permanents en céramique sont fabriqués à partir de ferrite de baryum ou de ferrite de strontium en poudre fine formée sous la chaleur et la pression. Leur force magnétique est améliorée en alignant les particules de poudre avec un champ magnétique puissant pendant le formage. Les aimants en céramique sont comparables aux aimants Alnico en termes de force magnétique et ont l'avantage de pouvoir être pressés dans diverses formes sans usinage important.

Les aimants permanents flexibles sont fabriqués à partir de poudre de ferrite de baryum ou de ferrite de strontium mélangée à un matériau liant comme le caoutchouc ou un plastique souple comme le chlorure de polyvinyle.

Dans les années 1970, des chercheurs ont développé des aimants permanents fabriqués à partir de poudre de cobalt samarium fondue à chaud. Ces aimants tirent parti du fait que la disposition des groupes d'atomes, appelés domaines magnétiques, dans les cristaux hexagonaux de ce matériau a tendance à être alignée magnétiquement. En raison de cet alignement naturel, les aimants samarium-cobalt peuvent être fabriqués pour produire des forces magnétiques 50 fois plus fortes que la magnétite. Les écouteurs pour les petits systèmes stéréo personnels utilisent des aimants permanents en samarium-cobalt. Les aimants en samarium-cobalt ont également l'avantage de pouvoir fonctionner à des températures plus élevées que les autres aimants permanents sans perdre leur force magnétique.

Des aimants permanents similaires ont été fabriqués dans les années 1980 en utilisant du néodyme fer-bore en poudre qui produit des forces magnétiques presque 75 fois plus fortes que la magnétite. Ce sont les aimants permanents les plus puissants disponibles dans le commerce aujourd'hui.

Matériaux d'électroaimant

Le fer pur et les alliages de fer sont les plus couramment utilisés dans les électro-aimants. Le fer au silicium et les alliages fer-cobalt spécialement traités sont utilisés dans les transformateurs de puissance à basse fréquence.

Un oxyde de fer spécial, appelé oxyde de fer gamma, est souvent utilisé dans la fabrication de bandes magnétiques pour l'enregistrement du son et des données. D'autres matériaux pour cette application incluent Les illustrations ci-dessus montrent un processus typique de métallurgie des poudres utilisé pour produire de puissants aimants permanents néodyme-fer-bore. oxydes de fer modifiés au cobalt et dioxyde de chrome. Le matériau est finement broyé et enduit d'un fin film plastique polyester.

Autres matériaux magnétiques

Les fluides magnétiques peuvent être fabriqués en encapsulant des particules de ferrite de baryum en poudre dans une seule couche de molécules d'un plastique polymère à longue chaîne. Les particules sont ensuite maintenues en suspension dans un liquide comme l'eau ou l'huile. En raison de l'encapsulation en plastique, les particules magnétiques glissent les unes sur les autres avec presque aucun frottement. Les particules sont si petites que l'agitation thermique normale dans le liquide empêche les particules de se déposer. Les fluides magnétiques sont utilisés dans plusieurs applications comme produits d'étanchéité, lubrifiants ou matériaux d'amortissement des vibrations.

Le processus de fabrication

Tout comme les matériaux sont différents pour différents types d'aimants, les processus de fabrication sont également différents. De nombreux électro-aimants sont coulés en utilisant des techniques de coulée de métal standard. Les aimants permanents flexibles sont formés dans un processus d'extrusion plastique dans lequel les matériaux sont mélangés, chauffés et forcés à travers une ouverture façonnée sous pression.

Certains aimants sont formés à l'aide d'un procédé de métallurgie des poudres modifié dans lequel le métal en poudre fine est soumis à la pression, à la chaleur et à des forces magnétiques pour former l'aimant final. Voici un processus typique de métallurgie des poudres utilisé pour produire de puissants aimants permanents néodyme-fer-bore avec des sections transversales d'environ 3-10 pouces carrés (20-65 cm2) :

Préparation de la poudre métallique

• 1 Les quantités appropriées de néodyme, de fer et de bore sont chauffées jusqu'à fusion sous vide. Le vide empêche toute réaction chimique entre l'air et les matériaux en fusion qui pourraient contaminer l'alliage métallique final.
• 2 Une fois le métal refroidi et solidifié, il est brisé et broyé en petits morceaux. Les petits morceaux sont ensuite broyés en une poudre fine dans un broyeur à boulets.

En appuyant sur

• 3 Le métal en poudre est placé dans un moule, appelé matrice, qui est de la même longueur et largeur (ou diamètre, pour les aimants ronds) que l'aimant fini. Une force magnétique est appliquée au matériau en poudre pour aligner les particules de poudre. Pendant que la force magnétique est appliquée, la poudre est pressée du haut et du bas avec des vérins hydrauliques ou mécaniques pour la comprimer jusqu'à environ 0,125 pouce (0,32 cm) de son épaisseur finale prévue. Les pressions typiques sont d'environ 10 000 psi à 15 000 psi (70 MPa à 100 MPa). Certaines formes sont fabriquées en plaçant le matériau en poudre dans un récipient sous vide flexible, étanche à l'air et en le pressant en forme avec une pression de liquide ou de gaz. C'est ce qu'on appelle le compactage isostatique.

Chauffage

• 4 Le "slug" comprimé de poudre métallique est retiré de la matrice et placé dans un four. Le processus de chauffage de poudres métalliques comprimées pour les transformer en pièces métalliques solides et fondues est appelé frittage. Le processus se compose généralement de trois étapes. Dans la première étape, le matériau comprimé est chauffé à basse température pour éliminer lentement toute humidité ou autres contaminants qui pourraient s'être piégés pendant le processus de pressage. Dans la deuxième étape, la température est élevée à environ 70-90% du point de fusion de l'alliage métallique et y est maintenue pendant une période de plusieurs heures ou plusieurs jours pour permettre aux petites particules de fusionner. Enfin, le matériau est refroidi lentement par incréments de température contrôlés, étape par étape.

Recuit

• 5 Le matériau fritté subit ensuite un deuxième processus de chauffage et de refroidissement contrôlé appelé recuit. Ce processus élimine toutes les contraintes résiduelles dans le matériau et le renforce.

Finition

• 6 Le matériau recuit est très proche de la forme finie et des dimensions souhaitées. Cette condition est connue sous le nom de forme « nearnet ». Un processus d'usinage final élimine tout excès de matériau et produit une surface lisse là où cela est nécessaire. Le matériau reçoit ensuite un revêtement protecteur pour sceller les surfaces.

Magnétisation

• 7 Jusqu'à présent, le matériau n'est qu'un morceau de métal comprimé et fondu. Même s'il a été soumis à une force magnétique pendant le pressage, cette force n'a pas magnétisé le matériau, elle a simplement aligné les particules de poudre libre. Pour la transformer en aimant, la pièce est placée entre les pôles d'un électro-aimant très puissant et orientée dans le sens d'aimantation souhaité. L'électro-aimant est ensuite excité pendant un certain temps. La force magnétique aligne les groupes d'atomes, ou domaines magnétiques, dans le matériau pour faire de la pièce un puissant aimant permanent.

Contrôle qualité

Chaque étape du processus de fabrication est surveillée et contrôlée. Les processus de frittage et de recuit sont particulièrement critiques pour les propriétés mécaniques et magnétiques finales de l'aimant, et les variables de temps et de température doivent être étroitement contrôlées.

Matières dangereuses,
Sous-produits et
Recyclage

Le baryum et les composés de baryum utilisés pour fabriquer des aimants permanents en ferrite de baryum sont toxiques et sont considérés comme des matériaux toxiques. Les entreprises fabriquant des aimants en ferrite de baryum doivent prendre des précautions particulières lors du stockage, de la manipulation et de l'élimination des déchets des produits de baryum.

Les électro-aimants peuvent généralement être recyclés en récupérant les noyaux de fer des composants et le câblage en cuivre de la bobine. Le recyclage partiel des aimants permanents peut être réalisé en les retirant des équipements obsolètes et en les réutilisant dans un nouvel équipement similaire. Cependant, cela n'est pas toujours possible et une approche plus globale du recyclage des aimants permanents doit être développée.

Le futur

Les chercheurs continuent de rechercher des aimants encore plus puissants que ceux disponibles aujourd'hui. L'une des applications d'aimants permanents plus puissants serait le développement de petits moteurs électriques à couple élevé pour les robots industriels alimentés par batterie. et les lecteurs de disque d'ordinateur portable. Des électro-aimants plus puissants pourraient être utilisés pour la lévitation et la propulsion des trains à grande vitesse en utilisant des champs magnétiques pulsés. De tels trains, parfois appelés trains maglev, seraient soutenus et guidés par un « rail » magnétique central. Ils se déplaceraient sans jamais entrer en contact avec le rail, éliminant ainsi les frottements mécaniques et le bruit. Les champs magnétiques pulsés pourraient également être utilisés pour lancer des satellites dans l'espace sans avoir recours à des fusées d'appoint coûteuses et lourdes.

Des aimants plus puissants pourraient également être utilisés comme outils de recherche pour développer d'autres nouveaux matériaux et procédés. Des champs magnétiques intenses et pulsés sont actuellement utilisés dans la recherche sur la fusion nucléaire pour contenir le plasma nucléaire chaud et réactif qui ferait autrement fondre n'importe quel récipient en matériau solide. Les champs magnétiques peuvent également être utilisés dans la recherche sur les matériaux pour étudier le comportement des semi-conducteurs utilisés en électronique afin de déterminer les effets de la fabrication de circuits intégrés micro-dimensionnés.