Aimant permanent

Photo d'un aimant lévitant au-dessus d'un supraconducteur.

Un aimant permanent, ou simplement aimant dans le langage courant, est un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, c’est-à-dire dont l'aimantation rémanente et le champ coercitif sont grands (voir ci-dessous). Cela lui donne des propriétés particulières liées à l'existence du champ magnétique, comme celle d'exercer une force d'attraction sur tout matériau ferromagnétique.

Étymologie

Le mot aimant est, comme le mot diamant, dérivé du grec ancien ἀδάμας, adámas (« fer particulièrement dur ou diamant »), apparenté à l'adjectif ἀδάμαστος, adámastos, (« indomptable »), en raison de la dureté de la pierre d'aimant.Modèle:Refnec

Histoire

L'histoire des aimants commence dans l'Antiquité. En Chine, puis un peu plus tard en Grèce, les hommes découvrent une pierre noire, la pierre d'aimant, qui a le pouvoir d'attirer le fer. Qui plus est, cette pierre a la capacité de transmettre son pouvoir au fer. Dans l'Antiquité, selon Plutarque, la pierre d'aimant s'appellait os d'Horus et le fer os de Typhon ; Pline l'Ancien écrivait : Modèle:Citation

Partout où ces étonnantes propriétés de la magnétite sont remarquées, apparaissait la tentation de l'associer à la magie : Modèle:Citation

Vers l'an Mille, en Chine, la boussole (appelée « aiguille du sud »), première application de la propriété d'aimantation, fait son apparition dans la navigation maritime. Cette boussole ou marinette, qui est constituée d'une aiguille de fer aimantée par contact avec la pierre d'aimant, sera introduite en Europe environ deux siècles plus tard au contact des Arabes. Le champ magnétique terrestre à l'origine de l'aimantation de la magnétite a permis à l'homme muni d'une marinette de mieux se situer dans l'espace et donc de l'explorer. Le mot magnétisme vient de la ville de Magnésie en Asie Mineure. Au Modèle:S-, l'ingénieur militaire Pierre de Maricourt, Picard vivant à Paris et dont parle avec admiration le physicien Franciscain Roger Bacon, compose un traité intitulé De Magnete, dans lequel il décrit les propriétés de l'aimant. Christophe Colomb, à l'aide de son compas, peut ainsi filer droit sur « Cipangu ». Samuel Purchas fait remarquer un siècle à peine après la mort de Colomb que Modèle:Citation

William Gilbert, dans son De Magnete (1600), effectue pour la première fois la distinction entre corps électriques (il introduit ce terme) et magnétiques. Il assimile la Terre à un aimant, note les lois de répulsion et d'attraction des aimants par leur pôle et l'influence de la chaleur sur le magnétisme du fer. Il donne aussi les premières notions sur l'électricité, dont une liste des corps électrisables par frottement. Les propriétés d'aimantation sont alors indissociablement liées à la magnétite.

Jusqu'à très récemment, un aimant est défini comme Modèle:Citation

La magnétite (Fe₃O₄) n'est pas le seul matériau permettant de faire des aimants. Les mêmes propriétés ont été trouvées dans de nombreux autres composés minéraux. Les applications se sont multipliées. Aujourd'hui, on trouve des aimants dans des domaines aussi divers que la santé, les moteurs électriques qui sont, de fait, des moteurs magnétiques, les télécommunications, etc.

Le volume de vente d'aimants dans le monde occidental qui dépassait dix milliards de Francs (1,5 milliard d'euros) par an en 1994 reflète leur importance dans le monde actuel.

Lien entre l'aimantation et le moment magnétique

L'aimantation ${\vec {J}}$ d'un matériau ou d'un milieu est sa densité volumique de moment magnétique (induit ou permanent) :

${\vec {J}}={\frac {\mathrm {d} {\vec {M}}}{\mathrm {d} V}}$

où ${\vec {M}}$ désigne le moment magnétique et $V$ le volume.

L'unité SI d'aimantation est l'ampère par mètre (A/m).

Pôles

Pôles d’un aimant dipolaire et orientation des lignes de champ magnétique visibles sur les pôles de l’aiguille aimantée d’une boussole au voisinage des pôles de l’aimant.

Les pôles magnétiques sont nommés « nord » et « sud » en fonction des pôles géographiques terrestre vers lesquels ils sont attirés. Comme les pôles magnétiques de polarité opposés s'attirent mutuellement, on en déduit que les pôles géographiques terrestres ont une polarité magnétique en réalité opposée à leur polarité géographique : le pôle Nord géographique terrestre est un pôle sud magnétique, et inversement.

Les deux pôles sont indissociables, l’un n'existe pas sans l’autre (en vertu d’une équation de Maxwell montrant la continuité du champ magnétique produit). Les pôles indiquent une direction d’un axe unique passant par un point central, et le long duquel les lignes de champs viennent s’aligner (avec une inversion brutale de la direction du champ au voisinage de ce centre) : autour de ces deux pôles, le champ magnétique est maximum et orienté parallèlement à l’axe, tandis qu’il décroit avec la distance à l’aimant ; l’effet combiné des deux pôles forme hors de cet axe des lignes de direction du champ magnétique orientées le long de cercles passant par le centre magnétique entre les deux pôles, ces cercles de même intensité du champ étant disposés sur un tore passant par le centre magnétique.

Application

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, la RMN et donc l'IRM. 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 Modèle:Unité. En général, les aimants utilisés sont en samarium cobalt ou en néodyme fer bore.

Les aimants équipent divers objets. Les attaches à aimants sont des fournitures de bureau qui permettent de fixer à un tableau des feuilles de papier, comme le ferait une pince ou une épingle. Ces mêmes attaches servent aux porte-photos, remplaçant la colle ou le ruban adhésif. Certaines pièces de jeux fonctionnent grâce à des aimants, permettant ainsi de jouer pendant un trajet en voiture ou en train, par exemple. Certaines figurines décoratives, appelées aussi « magnets » se fixent à leur support, par exemple le réfrigérateur, à l'aide d'aimants.

Caractéristiques

Les aimants permanents contiennent presque toujours des atomes d'au moins un des éléments chimiques suivants : fer, cobalt ou nickel, ou de la famille des lanthanides (terres rares). Ces éléments présentent des propriétés magnétiques mais ne sont pas forcément utilisables seuls comme aimants permanents. On utilise donc des alliages présentant des propriétés ferromagnétiques dures (un cycle d'hystérésis large). Les aimants synthétiques sont produits par frittage d'un alliage de poudres de terres rares qui forme alors une céramique polarisée sous le champ intense d'un électroaimant. Les aimants naturels sont des oxydes mixtes de fer II et de fer III de la famille des ferrites (oxydes mixtes d'un métal divalent et de fer III). Il existe aussi des aimants moléculaires comme des aimants de chimie de coordination, des aimants organo-métalliques et des aimants purement organiques (CHNO). Ils ont tous des températures de Curie très basses excepté le V(TCNE)₂ (di-tétracyanoéthylénure de vanadium).

• L'induction rémanente Modèle:Formule est l'induction magnétique subsistant dans le matériau à excitation magnétique nulle.
• Le champ coercitif de désaimantation (Modèle:Formule, en A/m) est l'excitation magnétique qu'il faut produire pour désaimanter ce matériau, mais cette désaimantation peut être réversible.
• Le champ coercitif de désaimantation irréversible (Modèle:Formule ou Modèle:Formule, en A/m) est l'excitation magnétique qu'il faut produire pour désaimanter le matériau de manière irréversible. Cette dernière peut être supérieure ou égale à la précédente.
• La température de Curie : température pour laquelle le matériau perd son aimantation, mais néanmoins de façon réversible (une fois refroidi, le matériau retrouve ses propriétés ferromagnétiques et pourra à nouveau être aimanté).

Les matériaux durs sont intéressants pour réaliser des aimants permanents car ils présentent des cycles d'hystérésis larges. Les grandeurs principales à prendre en compte sont Modèle:Formule : l'induction rémanente, proportionnelle à l'aimantation du matériau, et Modèle:Formule, qui est une mesure de la capacité du matériau à garder cette aimantation.

Matériaux	Br en tesla	Hc en kA/m	T° de Curie en °C	Remarques diverses
Aciers	0,001 à 0,02	6 à 19	750	Anciens aimants
Ferrites	0,2 à 0,4	200	300	Les moins chers
Alnico	1,2	50	750 à 850	Se désaimantent facilement
Samarium-cobalt	1,1	800	700 à 800	Prix élevé à cause du cobalt
Néodyme-fer-bore	1,3	1500	310	Prix en hausse (terres rares), sujet à l'oxydation

Relation entre la force de contact et le champ magnétique

Si l'on connaît l'intensité de l'induction magnétique Modèle:Formule (en teslas) produite 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 considère la force Modèle:Formule nécessaire pour séparer l'aimant d'une distance Modèle:Formule de la surface de fer. La distance Modèle:Formule est très petite de sorte que l'on puisse accepter que, dans tout le volume situé entre l'aimant et le fer, l'induction magnétique est égale à Modèle:Formule. Le travail fait par la force Modèle:Formule 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 Modèle:Formule est la perméabilité de l'air, presque égale à celle du vide : Modèle:Formule.

Le volume de l'espace créé entre l'aimant et le fer est égal à Modèle:Formule où Modèle:Formule 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 Modèle:Unité (1 pouce) de diamètre et produisant une induction magnétique égale à Modèle:Unité dans le circuit magnétique formé avec la pièce métallique au contact de laquelle il se trouve, la force obtenue est de Modèle:Unité, soit l'équivalent de la force (poids) exercée par une masse d’environ Modèle:Unité dans le champ moyen de gravité terrestre.

Inversement et si l'on connaît la force de contact d'un aimant, par cette formule on peut avoir une approximation de la valeur de l'induction magnétique créée à proximité de l'aimant.

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

Ainsi, un aimant permanent à base de néodyme-fer-bore de Modèle:Unité de rayon ayant une force d'adhérence de Modèle:Unité (soit environ Modèle:Unité) génère une induction magnétique à proximité de sa surface d'environ Modèle:Unité, soit Modèle:Unité.

Voir aussi

Articles connexes

• Magnétisme
• Champ magnétique
• Moment magnétique
• Périclase (magnésie)
• Ferrite
• Aimant au néodyme
• Aimant samarium-cobalt
• Aimant AlNiCo
• Moteur à aimants permanents