Magnétisme
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Le magnétisme est connu depuis le
temps de la Grèce antique.
Déjà à cette époque, on avait
remarqué le phénomène d'attraction engendré
par certaines pierres.
Aujourd'hui, on utilise les aimants dans
diverses applications associées à
l'électricité (moteurs, générateurs,
haut-parleurs, etc.).
Dans cette étude, vous
vous familiariserez avec les phénomènes
magnétiques associés aux aimants.
Un aimant est un morceau d'oxyde fer autour duquel se manifeste le phénomène du magnétisme.
Les aimants se classent en deux catégories, soit les aimants naturels et les aimants artificiels.
La découverte des aimants naturels remonte au temps des anciens. Ceux-ci avaient remarqué que la magnétite, une pierre composée de minerai de fer noirâtre, possédait la propriété d'attirer la limaille de fer.
Les aimants artificiels sont des morceaux d'acier auxquels on a communiqué la propriété des aimants naturels par un traitement spécial.
Les aimants artificiels se classent en deux catégories. On distingue donc :
- les aimants temporaires ;
- les aimants permanents.
Les aimants artificiels temporaires perdent leur force d'attraction si on retire la source qui leur a fourni leur magnétisme. Les électro-aimants, font partie de cette catégorie.
Les aimants artificiels permanents deviennent aimantés lorsqu'on les place dans un champ magnétique intense. Ils conservent leur propriété magnétique après avoir été éloignés de ce champ magnétique. On emploie différents alliages dans la fabrication des aimants permanents. En plus du fer, qui constitue l'élément principal, on retrouve du chrome, du tungstène ou du nickel, et des alliages à base de cobalt et de terres rares ou d'oxydes frittés (ferrites).
On utilise les aimants artificiels dans différents appareils (moteurs, génératrices, appareils de mesure, haut-parleurs, etc.). On les retrouve sous différentes formes, comme le montre la suivante :
On regroupe les matériaux magnétiques en trois classes selon leur perméabilité.
La perméabilité d'un matériau désigne la facilité avec laquelle les lignes de champ magnétique peuvent s'établir dans ce matériau.
Cette propriété est semblable à la conductivité en électricité : le cuivre étant un bon conducteur, il laisse facilement circuler le courant ; l'acier au silicium étant très perméable, il permet une grande concentration des lignes magnétiques.
Les matériaux ferromagnétiques possèdent une perméabilité élevée (> 100), ce qui leur permet de s'aimanter facilement. On retrouve, dans cette catégorie:
- le fer, le nickel, le cobalt;
- différents alliages, tels que l'acier au silicium, le permalloy, l'alnico, etc.
La perméabilité des matériaux paramagnétiques est légèrement supérieure à 1 ; les aimants exercent peu ou pas d'attraction sur eux. Cette catégorie de matériaux comprend principalement:
- le platine,
- le manganèse,
- le chrome,
- l'aluminium,
- le verre.
La perméabilité des matériaux diamagnétiques est inférieure à 1 ; ils sont très légèrement repoussés par les aimants. On retrouve, dans cette classe:
- le cuivre,
- l'or,
- l'argent,
- le zinc,
- l'antimoine,
- le bismuth,
- le mercure, etc.
Les pôles magnétiques se situent à chacune des extrémités d'un aimant. C'est à ces points que l'on retrouve la force magnétique la plus concentrée. On appelle ces extrémités pôle NORD et pôle SUD. Le pôle nord de l'aimant est l'extrémité qui pointe vers le pôle nord géographique de la Terre.
L'élément principal de la boussole est son aiguille, qui est en fait un aimant permanent. Lorsque l'on utilise une boussole, l'extrémité identifiée de l'aiguille pointe toujours vers le pôle nord. Donc, cette extrémité de l'aiguille représente le pôle nord de l'aimant, et l'autre extrémité, le pôle sud.
Par ailleurs, on remarque que les pôles d'un aimant sont inséparables ; si l'on coupe un aimant en deux, chaque morceau possédera un pôle nord et un pôle sud. De fait, chaque fragment d'un aimant forme un autre aimant.
Si l'on approche des pôles de même nature, on constate une répulsion entre les aimants. Par contre, si l'on approche deux pôles de nature contraire, on remarque une attraction entre les aimants. C'est ce que l'on appelle la loi des pôles.
La figure suivante démontre cette loi :
Bien qu'elle soit invisible, la force magnétique possède plusieurs caractéristiques, dont certaines sont visibles.
On appelle champ magnétique la portion d'espace où s'exercent les forces magnétiques.
Le champ magnétique se compose d'une grande quantité de lignes invisibles que l'on nomme lignes de champ. Par convention internationale, on dit que les lignes de champ sortent du pôle nord et entrent par le pôle sud.
La figure suivante montre l'aspect que prennent les lignes de champ magnétique autour d'un aimant en barre et d'un aimant en U.
La figure ci-dessous montre le spectre magnétique d'un aimant :
L'induction magnétique désigne la densité des lignes de champ traversant une surface perpendiculaire à ces lignes. Elle s'exprime en teslas (T).
1 T = 1 Wb/m2.
Si l'on introduit un morceau de fer doux dans un champ magnétique, les lignes se déforment pour se concentrer vers le fer. Le fer est un meilleur conducteur de lignes magnétiques, car sa perméabilité (= 100) est plus grande que celle de l'air (= 1).
La figure suivante montre la déviation des lignes de champ causée par la présence d'un morceau de fer dans un champ magnétique.
Ce phénomène est mis à profit dans les câbles blindés utilisés pour la transmission de signaux électriques afin de les protéger contre les influences d'un champ magnétique.
Le champ magnétique est orienté car
les lignes de champ ont un sens. Ce champ peut être
représenté par un vecteur B :
• son module représente la densité des lignes de champ ;
• sa direction et son sens sont donnés par ces mêmes lignes.
Nous avons utilisé le terme "d'induction magnétique" pour désigner cette grandeur. Vous la trouverez aussi sous les noms de "champ magnétique", "vecteur champ magnétique" ou "densité magnétique".
Il est à noter que le terme "champ magnétique" est également utilisé pour désigner une autre grandeur que nous n'utiliserons pas dans le cadre de ce module.
En terminant cette étude, retenez plus particulièrement les points suivants :
• Un aimant naturel est une pierre, nommée magnétite, composée de minerai de fer ;
• Les aimants artificiels permanents sont fabriqués en usine, en les exposant à des champs magnétiques intenses. Ils conservent leur propriété magnétique lorsqu'on les retire du champ magnétique qui les a créés ;
• Les aimants artificiels temporaires perdent leur force d'attraction si on retire la source qui leur a fourni leur magnétisme ;
• On regroupe les matériaux magnétiques en trois classes. On distingue donc les matériaux ferromagnétiques, paramagnétiques et diamagnétiques ;
• Un aimant possède deux pôles, soit un pôle nord et un pôle sud ;
• Deux pôles de nature différente s'attirent tandis que deux pôles de nature identique se repoussent ;
• La portion d'espace où s'exercent les forces magnétiques se nomme champ magnétique.
• Si l'on introduit un morceau de fer dans un champ magnétique, les lignes se déforment pour se concentrer vers le fer.
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