1 Aimants permanents

1. AIMANTS PERMANENTS
1
1.1
II. Magnétisme et électromagnétisme
Aimants permanents
Terminologie
On apple «aimant permanent» tout corps capable d’attirer d’autres corps en fer, en cobalt et
en nickel (appelés matériaux «ferromagnétiques») et vice versa.
L’intensité des forces magnétiques diminue rapidement lorsqu’on éloigne les deux corps l’un de
l’autre. Un aimant agit à travers des matériaux comme l’air, l’eau ou le bois.
On distingue entre :
— les aimants naturels : dans la nature, on trouve certaines roches appartenant à la famille des oxydes de fer comme la magnétite („Magneteisenstein”) (Fe3 O4 ) ou l’hématite
(Fe2 O3 ), qui sont des aimants permanents. Ce sont ces roches qui ont été utilisées pour
frabriquer les premières boussoles.
— les aimants artificiels : ce sont des aimants produits par l’homme. Les aimants synthétiques sont produits par frittage 1 d’un alliage de poudres de terres rares 2 qui forme alors
une céramique polarisée sous le champ intense d’un électroaimant.
1.2
Pôles magnétiques
Les propriétés magnétiques d’un aimant sont particulièrement importantes aux extrémités, appelées «pôles magnétiques».
Les pôles apparaissent toujours par paires et ne sont pas identiques : on distingue le pôle nord
et le pôle sud.
Le pôle nord d’un aimant est souvent peint en rouge, le pôle sud en vert.
Deux pôles de mêmes noms se repoussent !
Deux pôles de noms différents s’attirent !
1. Le frittage est un procédé de fabrication consistant à chauffer une poudre sans la mener jusqu’à la fusion.
Sous l’effet de la chaleur, les grains se soudent entre eux.
2. Les terres rares sont un groupe de métaux aux propriétés voisines
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1. AIMANTS PERMANENTS
II. Magnétisme et électromagnétisme
N
S
N
S
N
S
S
N
S
N
N
S
Figure II.1 – Attraction / Répulsion entre deux aimants
Une barre aimantée, mobile autour d’un axe vertical, s’immobilise à peu près suivant la direction
Nord-Sud géographique. Le pôle qui pointe vers le Nord est appelé pôle nord de l’aimant.
p
rd
No
e
ôl
t
e
str
e
r
er
N
S
p
d
Su
e
l
ô
re
est
r
r
te
Figure II.2 – Barre aimantée suspendue à un fil
1.3
Différentes formes d’aimants
Les aimants apparaissent sous des formes très diversifiées. Les formes les plus courantes sont :
1. la barre aimantée (ou barreau aimanté) :
S
N
Figure II.3 – Barre aimantée
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1. AIMANTS PERMANENTS
II. Magnétisme et électromagnétisme
2. l’aimant «en U» :
S
N
S
N
Figure II.4 – Aimants en U
1.4
1.4.1
Expériences avec des aimants
Aimantation d’un fil de fer
Faisons glisser (plusieurs fois dans le même sens) un pôle d’aimant sur un morceau de fil de fer.
A la fin, on constate que le morceau de fil est devenu lui-même un aimant permanent possédant
un pôle nord et un pôle sud.
Figure II.5 – Aimantation d’un fil de fer
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1. AIMANTS PERMANENTS
1.4.2
II. Magnétisme et électromagnétisme
Expérience de l’aimant brisé
Coupons un aimant permanent en son milieu.
ligne de coupure
S
N
S
S
N
N
S
S
N
S
N
N
S
N
Figure II.6 – Expérience de l’aimant brisé
On pourrait s’attendre à ce qu’on ait isolé un pôle nord d’un côté et un pôle sud de l’autre.
Cependant, chacun des deux morceaux est encore un aimant permanent complet avec un pôle
sud et un pôle nord.
On pourra répéter cette expérience en sectionnant une nouvelle fois chacun des fragments
obtenus, mais on n’arrivera jamais à isoler un pôle d’aimant : tout aimant, si petit soit-il,
possède deux pôles de noms différents.
1.5
Représentation modélisée d’un aimant
Aujourd’hui, on admet que les atomes de fer possèdent eux-mêmes des propriétés magnétiques :
nous appelons ces tout petits aimants des aimants élémentaires.
Dans le fer ou l’acier non aimantés, les aimants élémentaires sont orientés au hasard, de façon
que leur action globale vers l’extérieur est nulle.
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1. AIMANTS PERMANENTS
II. Magnétisme et électromagnétisme
pièce de fer
aimant élémentaire
Figure II.7 – Aimants élémentaires - fer non aimanté
Si on glisse le pôle d’un aimant le long du morceau de fer (exp. 1.4.1), de plus en plus d’aimants
élémentaires prennent la même orientation. Le fer devient ainsi un aimant.
S
N
Figure II.8 – Aimants élémentaires - fer aimanté
Le modèle des aimants élémentaires permet aussi d’expliquer l’expérience de l’aimant brisé :
S
S
N
N
S
Figure II.9 – Aimant brisé - Explication
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N
1. AIMANTS PERMANENTS
1.6
II. Magnétisme et électromagnétisme
Désaimantation
Lors de la désaimantation d’un aimant, ses aimants élémentaires perdent leur ordre d’orientation
de façon qu’aucune direction n’est privilégiée (cf. fig. II.7). On peut désaimanter un aimant :
— soit en l’exposant à des chocs ou des vibrations violentes (p.ex. en le laissant tomber)
— soit en le chauffant à haute température. Au-delà d’une certaine température caractéristique (appelée «point de Curie» 3 ), chaque matériau ferromagnétique perd totalement
son aimantation, même s’il sera ultérieurement refroidi (bien qu’il pourra évidemment
être réaimanté après).
matériau
cobalt
fer
nickel
θC (◦ C)
1115
770
354
Table II.1 – Points de Curie de matériaux ferromagnétiques
1.7
1.7.1
Spectres et champs magnétiques
Expérience
Plaçons une plaque de verre au-dessus d’une barre aimantée resp. d’un aimant en U. Saupoudrons la plaque de grains de limaille de fer, puis tapons légèrement sur la plaque.
On observe que les grains de limaille de fer forment des lignes fermées autour de l’aimant qui
ne se coupent jamais. Ces sont les «lignes de champ» . Les lignes de champ sortent toutes
du pôle nord d’un aimant et rentrent dans son pôle sud. Si on place une petite aiguille aimantée
sur une telle ligne de champ, l’aiguille s’oriente à ce qu’elle soit tangentielle à la ligne de champ
au point où elle la touche. Le nord d’une telle aiguille s’oriente dans le sens des lignes de champ.
La région autour d’un aimant dans laquelle se trouvent ces lignes de champ est appelée «champ
⃗
magnétique». Le champ magnétique est représentée par un vecteur, noté B.
⃗ est en tout point tangentiel aux lignes de champ et orienté dans
Le champ magnétique B
le sens des lignes de champ.
L’ensemble des lignes de champ autour d’un aimant s’appelle «spectre magnétique» de l’aimant.
3. Cette température tire son nom de Pierre Curie, le physicien français qui l’a découverte en 1895
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1. AIMANTS PERMANENTS
1.7.2
II. Magnétisme et électromagnétisme
Spectres d’aimants
— barre aimantée :
>
aiguille aimantée
ligne de champ
>
>
>
S
>
N
>
>
>
⃗
B
⃗
B
>
Figure II.10 – Spectre magnétique d’une barre aimantée
Le champ magnétique est d’autant plus intense que la densité des lignes de champ est
élevée. L’intensité du champ magnétique est donc particulièrement intense dans la région
des pôles.
— aimant en U :
S
>
>
>
>
⃗
B
>
>
>
>
>
>
>
>
>
N
>
>
>
>
Figure II.11 – Spectre magnétique d’un aimant en U
Ici, l’intensité du champ est encore maximale dans la région des pôles.
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1. AIMANTS PERMANENTS
II. Magnétisme et électromagnétisme
Mais, le spectre de l’aimant en U présente une particularité intéressante :
Entre ses deux armatures, les lignes de champ :
— sont toutes équidistantes
— ont toutes même direction
— ont toutes le même sens
Le champ a donc partout même direction, même sens et même intensité : on dit que le
champ magnétique entre les armatures d’un aimant en U est «uniforme».
1.8
Le champ magnétique de la Terre
axe de rotation
>
M
PS
>
>
PNG
>
>
S
>
boussole
N
M
PN >
>
PSG
>
δ
Figure II.12 – Spectre magnétique d’une barre aimantée
Comme une aiguille aimantée pointe son pôle nord vers le pôle Nord géographique, c’est là qu’est
situé le pôle sud magnétique de la Terre. Le pôle nord magnétique est situé dans l’hémisphère
Sud.
Si on suivait constamment le nord indiqué par une boussole, on n’aboutirait pas exactement au
pôle Nord géographique, mais en un endroit du Canada situé à quelque 1000 km du pôle Nord
géographique ; c’est là que se situe le pôle sud magnétique. En effet, la direction de l’aiguille
aimantée ne se confond pas exactement avec la direction Nord-Sud géographique. On appelle
déclinaison magnétique δ l’angle formé par l’aiguille aimantée et le méridien géographique. La
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1. AIMANTS PERMANENTS
II. Magnétisme et électromagnétisme
déclinaison varie en cours du temps. En 2015, la déclinaison au Luxembourg est de 1◦ 17′ ouest ;
elle diminue de 8′ par an.
Les lignes de champ du champ magnétique terrestre sont presque perpendiculaires à la surface
terrestre aux pôles, elles sont horizontales à l’équateur. Dans nos régions, elles forment avec
la surface terrestre un angle d’environ 65◦ ; cet angle est appelé inclinaison. L’inclinaison peut
être mesurée à l’aide d’une aiguille aimantée mobile autour d’un axe horizontal.
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