Aimant

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Un aimant lévitant au-dessus d'un supraconducteur

Un aimant est un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, c’est-à-dire dont le champ rémanent et l'excitation coercitive sont grands (voir ci-dessous). Cela lui donne des propriétés particulières, comme d'exercer une force d'attraction sur tout matériau ferromagnétique.

Sommaire

1 Histoire
2 Applications des aimants
3 Caractéristiques des aimants
4 Calcul de la force de contact exercée par un aimant
5 Références
6 Voir aussi

[modifier] Histoire

Dans l'Antiquité, Pline l'ancien écrivait : « Il y a auprès du fleuve Indus deux montagnes, dont l'une retient et l'autre repousse toute espèce de fer (XXXVI, 25); de la sorte, si l'on porte des clous aux souliers, dans l'une on ne peut pas retirer son pied, dans l'autre on ne peut pas le poser »^[1].

[modifier] Applications des aimants

Tout barreau aimanté s'oriente naturellement dans la direction nord-sud suivant les lignes du champ magnétique terrestre, pour peu qu'on lui laisse un axe de rotation libre de toutes contraintes. Cette propriété est utilisée dans la fabrication des boussoles.
Les aimants sont très utilisés pour la réalisation de machines à courant continu ou de machines synchrones.
L'existence de champ magnétique en l'absence de courant est mise à profit pour la réalisation de capteurs, par exemple des capteurs de proximité.
Les aimants sont aussi utilisés dans la conception de sources dipolaires afin de produire des plasmas micro-onde. Il faut cependant que celui-ci permette de vérifier les conditions de couplage RCE (Résonance Cyclotronique Électronique) soit 0.0875 Tesla pour un champ électrique tournant de 2.45 GHz. En général les aimants utilisés sont en Samarium Cobalt.

[modifier] Caractéristiques des aimants

Les aimants contiennent presque systématiquement des atomes d'au moins un des éléments chimiques suivants : fer, cobalt ou nickel, ou de la famille des Lanthanides (terres rares). Les aimants naturels sont des oxydes mixtes de Fer II et de Fer III de la famille des ferrites (oxyde mixtes d'un métal divalent et de Fer III). Ce sont des matériaux magnétiques durs (à cycle d'hystérésis large).

Le champ rémanent est le champ magnétique existant dans le matériau en l'absence de courant.
L'excitation coercitive de démagnétisation est l'excitation (champ magnétique créé par des courants circulant autour du matériau) qu'il faut produire pour démagnétiser ce matériau.
La température de Curie : température pour laquelle le matériau perd son aimantation, de façon réversible.

Matériaux	Br en Tesla	Hc en kA/m	T° de Curie en °C	Remarques diverses
ferrites	0,2 à 0,4	200	300	les moins chers
Alnico	1,2	50	750 à 850	se démagnétisent trop facilement
Samarium cobalt	0,5	800	700 à 800	prix élevé à cause du cobalt
Néodyme fer bore	1,3	1500	310	prix en baisse (brevets), sujet à l'oxydation

[modifier] Calcul de la force de contact exercée par un aimant

Si l'on connaît l'intensité du champ magnétique $\scriptstyle{B}$ (en teslas) produit par l'aimant à sa surface, on peut calculer une bonne approximation de la force nécessaire pour le décoller d'une surface en fer. On imagine que la force $\scriptstyle{F}$ a décollé l'aimant d'une distance $\textstyle{\varepsilon}$ de la surface de fer. La distance $\textstyle{\varepsilon}$ est très petite de sorte que l'on puisse accepter que dans tout le volume situé entre l'aimant et le fer le champ magnétique est égal à $\scriptstyle{B}$ . Le travail fait par la force $\scriptstyle{F}$ est

$W = F\varepsilon \,$

Ce travail s'est transformé en énergie du champ magnétique dans le volume créé entre l'aimant et le fer. La densité d'énergie par unité de volume due au champ magnétique est :

$\rho = {\frac{1}{2}}{B^2\over\mu} \,$ J.m^-3

Ici $\scriptstyle{\mu}\,$ est la perméabilité de l'air, presque égale à celle du vide : $\mu_0 = \scriptstyle 4\pi\,\,10^{-7}\,$ H.m^-1.

Le volume de l'espace créé entre l'aimant et le fer est égal à $\scriptstyle S\varepsilon$ où $\scriptstyle S$ est la surface de l'aimant qui était collée au fer. Le travail fait s'est transformé en énergie :

$F\varepsilon = {1 \over 2}{S\varepsilon B^2\over\mu} \,$

On déduit la valeur de la force de contact :

$F = {1\over 2}{B^2 S\over \mu} \,$

Pour un aimant de 2,54 cm (1 pouce) de diamètre et produisant un champ égal à 1 tesla dans le circuit magnétique formé avec la pièce métallique au contact de laquelle il se trouve, la force obtenue est de 205 newtons, soit l'équivalent de la force exercée par une masse d'environ 21 kg dans le champ de gravité terrestre.