Magnétisme - Cours d'Electricité avec Maxicours

01 49 08 38 00 - appel gratuit de 9h à 18h (hors week-end)

Magnétisme

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.

1. Classification des 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 :

2. Classification des matériaux magnétiques

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.

a. Matériaux ferromagnétiques

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.
b. Matériaux paramagnétiques

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.
c. Matériaux diamagnétiques

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.
3. Pôles des aimants
a. Généralités

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.

b. Loi des pôles

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 :

4. Caractéristiques de la force magnétique

Bien qu'elle soit invisible, la force magnétique possède plusieurs caractéristiques, dont certaines sont visibles.

a. Champ magnétique

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.

Il est possible de voir l'aspect d'un champ magnétique en saupoudrant de la limaille de fer sur une feuille de papier ou sur une vitre placée sur un aimant.
La figure ci-dessous montre le spectre magnétique d'un aimant :

b. Flux magnétique
Le flux magnétique se définit comme le nombre de lignes de champ traversant une surface. Cette surface pourrait être le pôle nord d'un aimant d'où s'échappent les lignes de champ. L'unité de mesure du flux magnétique est le weber (Wb).
c. Induction magnétique

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.

d. Effet du fer sur le champ magnétique

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.

5. En résumé sur le magnétisme

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.

Découvrez
Maxicours

Des profs en ligne

Géographie

Des profs en ligne

  • 6j/7 de 17h à 20h
  • Par chat, audio, vidéo
  • Sur les 10 matières principales

Des ressources riches

  • Fiches, vidéos de cours
  • Exercices & corrigés
  • Modules de révisions Bac et Brevet

Des outils ludiques

  • Coach virtuel
  • Quiz interactifs
  • Planning de révision

Des tableaux de bord

  • Suivi de la progression
  • Score d’assiduité
  • Une interface Parents