Aimants

Définition de l'aimant Physique

Un barreau aimanté est représenté ci-dessous, avec un pôle nord et un pôle sud aux extrémités opposées. Si tu suspends un barreau aimanté dans l'air, il s'orientera par rapport à la direction cardinale, d'où le nom des pôles. Une boussole, par exemple, n'est qu'un petit barreau aimanté qui pointe toujours dans la direction du nord et du sud.

Fig. 2 - Un barreau aimanté est constitué d'un pôle nord et d'un pôle sud.

De la même façon que la force entre les charges électriques, les pôles opposés des aimants s'attirent tandis que les pôles semblables se repoussent. La différence entre les charges et les pôles magnétiques est que les charges peuvent être isolées. Dans le cas d'un barreau aimanté, tu auras beau le découper en morceaux, il aura toujours un pôle nord et un pôle sud. On dit qu'il n'existe pas de monopôle magnétique.

Fonctions des aimants

Les aimants peuvent remplir diverses fonctions, qu'il s'agisse de faire fonctionner des moteurs et des générateurs ou des haut-parleurs et des microphones, les aimants permettent également de transformer l'énergie d'une forme à une autre. Mais dans le cadre de cet article, nous ne nous intéresserons pas à l'aspect transformation de l'énergie, mais plutôt aux fonctions d'un aimant liées à la force. Les aimants ont plusieurs fonctions :

• Un aimant peut attirer des matériaux magnétiques comme le cobalt, le nickel, le fer, certains aciers et alliages.
• Un aimant peut exercer une force, à la fois attractive et répulsive, sur d'autres aimants en fonction des pôles.
• Un aimant crée également un champ magnétique qui influence la trajectoire des particules chargées électriquement qui se déplacent dans l'espace libre en provoquant une force qui les dévie de leur trajectoire.

Propriétés des aimants

Nous avons discuté de ce que les aimants peuvent faire, mais que se passe-t-il à l'intérieur de l'aimant pour qu'il soit bien un aimant ? Pourquoi certains matériaux sont-ils magnétiques alors que les autres ne possèdent pas du tout cette propriété ?

Configuration des électrons

Tous les objets de la nature sont constitués d'atomes, qui peuvent encore être divisés en protons, électrons et neutrons. Pour comprendre le magnétisme, ce sont les électrons qui doivent nous préoccuper. Les électrons ont une propriété intrinsèque appelée "spin". Ils ne tournent pas réellement sur eux-mêmes, mais c'est une façon utile d'y penser. Les électrons qui tournent dans le sens inverse des aiguilles d'une montre ont un vecteur de moment angulaire de spin qui pointe vers le haut - nous pouvons les appeler électrons spin-up. En revanche, les électrons qui tournent dans le sens des aiguilles d'une montre ont un vecteur de moment angulaire de spin qui pointe vers le bas - ce sont des électrons spin-down. Dans la plupart des matériaux, le sens du spin de ces électrons est tel qu'ils forment des orbitales avec un électron spin-up tandis que l'autre spin-down - ce qui fait qu'ils s'annulent l'un l'autre.

Mais les substances magnétiques telles que le cobalt, le nickel et le fer ont des spins d'électrons qui ne s'annulent pas. Dans ces types de substances, les atomes peuvent être orientés de manière à ce que tous les spins d'électrons soient alignés dans la même direction, c'est pourquoi on les appelle ferromagnétiques.

Cependant, comme le suggère la définition ci-dessus, les matériaux ferromagnétiques ne sont pas des aimants par eux-mêmes et ils doivent être placés dans un champ magnétique pour le devenir. En étant exposés à un champ magnétique externe puissant, les électrons du matériau voient leur spin s'aligner, ce qui fait que le matériau devient magnétique. Certains matériaux peuvent conserver cet état même après avoir été retirés du champ, ce sont les aimants permanents.

Champs magnétiques

Un champ magnétique décrit l'influence exercée sur un matériau magnétique en chaque point de l'espace. Dans le dessin d'un champ magnétique, les flèches indiquent la direction de la force qui agirait sur un pôle nord placé dans cette position. Les lignes de champ peuvent être représentées de la même façon que nous dessinons les lignes de champ électrique pour montrer le champ électrique autour d'une charge. Le champ magnétique dû à un barreau aimanté est illustré ci-dessous. Les lignes de champ semblent partir du pôle nord et se terminer au pôle sud, mais en réalité, elles n'ont ni position de départ ni position d'arrivée - les lignes de champ magnétique sont des boucles fermées.

C'est à cause de ce champ que les aimants et d'autres substances sont attirés ou repoussés. Ainsi, si un objet magnétique, comme un trombone par exemple, se trouve à proximité de ces lignes de champ magnétique, il sera attiré par l'aimant qui génère ce champ. Le trombone sera attiré par le pôle dont il est proche, car il devient un aimant induit. Cela sera expliqué plus loin lorsque nous aborderons les différents types d'aimants.

Fig. 3 - Les trombones deviennent des aimants induits lorsqu'ils sont placés près d'un aimant.

Tout comme pour les lignes de champ électrique, la densité des lignes de champ magnétique indique l'intensité du champ. Dans la figure ci-dessus, tu peux voir les lignes de champ magnétique étroitement serrées près des extrémités du barreau aimanté, ce qui indique que l'intensité du champ magnétique est la plus forte à cet endroit.

Comment savons-nous que les lignes de champ magnétique forment des boucles et pas une autre forme ? Nous pouvons le démontrer en plaçant une feuille de papier sur un barreau aimanté et en saupoudrant de la limaille de fer sur le papier. Chaque limaille de fer s'aligne parallèlement à la direction du champ magnétique à l'endroit où elle atterrit.

Fig. 4 - La limaille de fer peut être utilisée pour montrer les lignes du champ magnétique d'un barreau aimanté.

Une boussole magnétique peut également être utilisée pour trouver la direction des lignes de champ magnétique. Un minuscule aimant est logé à l'intérieur de la boussole qui est pivotée à partir du centre de façon à pouvoir tourner facilement. La flèche rouge de l'aimant pointe toujours vers le pôle nord géographique de la Terre. Pour cartographier les lignes de champ autour d'un barreau aimanté, tu peux continuer à déplacer la boussole autour du barreau aimanté et dessiner une flèche dans la direction de la flèche rouge à chaque point.

Trace une ligne courbe pour relier toutes les flèches que tu as dessinées et tu verras les lignes de champ se dessiner ! Si tu continues à déplacer la boussole sur la table autour du barreau aimanté à différentes distances de celui-ci, tu obtiendras différentes lignes de champ comme le montre la figure ci-dessous. À la fin, marque les lignes de champ magnétique tracées avec une flèche allant du pôle nord au pôle sud.

Pour en revenir à la première expérience au début de cet article, sais-tu pourquoi la boussole a dévié de sa position initiale lorsqu'un courant continu a traversé le fil ? C'est parce que le fil parcouru par le courant produit un champ magnétique autour de lui. La question de savoir comment et pourquoi un fil conducteur de courant produit un champ magnétique autour de lui sera abordée une autre fois, mais garde à l'esprit que pour l'instant, tous les aimants produisent un champ magnétique.

Types d'aimants en physique

Tous les aimants ne sont pas des aimants en barre dans la nature. Un autre type d'aimant est l'aimant en fer à cheval, qui est illustré ci-dessous avec un diagramme de ses lignes de champ. Compare les lignes de champ magnétique avec celles d'un barreau aimanté - cela montre que les lignes de champ dépendent de la forme de l'aimant.

De même, il existe un aimant en forme de disque dont un côté agit comme le pôle nord tandis que l'autre côté du disque agit comme le pôle sud. Un aimant en forme de disque et ses lignes de champ sont illustrés ci-dessous. Ses lignes de champ sont similaires à celles d'un barreau aimanté.

Il existe d'autres types d'aimants, comme les aimants cylindriques, les aimants sphériques et les aimants en anneau. Cependant, ils sont tous différents uniquement en raison de leur forme. Il existe également différents types d'aimants qui se comportent différemment même s'ils ont la même forme. Comment peut-on classer les aimants ? Les aimants sont classés en deux catégories principales : les aimants permanents et les aimants induits.

Aimants permanents

Les aimants permanents sont les aimants qui conservent leurs propriétés magnétiques pendant très longtemps ou pour toujours. Nous pouvons donc définir les aimants permanents comme suit :

Aimants induits

Les aimants induits, comme leur nom l'indique, ont un champ magnétique induit tant qu'ils se trouvent à proximité d'un champ magnétique externe. Dès que les aimants induits sont éloignés d'un champ magnétique, ils perdent leur propre magnétisme. Le point essentiel à noter ici est que la force entre un aimant induit et un aimant permanent sera toujours attractive car les pôles opposés seront induits sur l'aimant induit.

Exemples d'aimants

Nous avons déjà parlé de certains aimants fabriqués par l'homme, comme les barres aimantées et les aimants en fer à cheval, mais il existe aussi de nombreux aimants naturels !

Le champ magnétique terrestre

La terre possède également un champ magnétique tout autour d'elle. Cela est dû à de puissants courants électriques produits par l'écoulement de métal liquide dans le noyau externe. Si tu suspends un barreau aimanté ou si tu regardes une boussole, les deux s'alignent automatiquement dans les directions du nord et du sud, à condition qu'aucun autre aimant ne se trouve à proximité. Si tu imagines un barreau aimanté extrêmement grand au centre de la terre, les lignes de son champ magnétique ressembleraient à celles de la terre.

Une boussole pointe toujours vers le nord géographique. La polarité de ce grand aimant imaginaire enfoui dans la terre est telle que le côté nord géographique correspondra au pôle sud de l'aimant.

L'IRM

Les aimants naturels sont souvent utilisés à notre avantage dans les applications médicales. Les examens d'imagerie par résonance magnétique (IRM) sont basés sur l'effet de la résonance magnétique nucléaire (RMN). Les noyaux d'hydrogène ont leur propre fréquence naturelle, et si un champ magnétique très puissant est appliqué à l'un d'entre eux, il peut absorber l'énergie des rayonnements électromagnétiques (dans la gamme des radiofréquences) qui est égale à cette fréquence. La désexcitation contrôlée des noyaux d'hydrogène permet de les localiser en fonction du rayonnement qu'ils émettent, ce qui permet de cartographier les tissus du corps en trois dimensions tout en étant non invasif.

L'IRM peut être utilisée pour produire des images du cerveau.