Aimants. Vous les avez sur votre réfrigérateur, vous avez joué avec eux quand vous étiez enfant, vous avez même tenu une boussole dans votre main alors que l'aiguille de la boussole pointait vers le pôle nord magnétique de la Terre. Mais comment fonctionnent-ils? Quel est ce phénomène de magnétisme ?
Qu'est-ce que le magnétisme ?
Le magnétisme est un aspect de la force électromagnétique fondamentale. Il décrit les phénomènes et les forces associés aux aimants ou aux objets magnétiques.
Tous les champs magnétiques sont générés par le déplacement de charges ou par des champs électriques changeants. C'est pourquoi les phénomènes de l'électricité et du magnétisme sont désignés collectivement sous le nom d'électromagnétisme. Ils sont vraiment une seule et même personne !
Dans tous les matériaux, les atomes contiennent des électrons, et ces électrons forment un nuage autour du noyau atomique, leur mouvement global créant un dipôle magnétique miniature. Dans la plupart des matériaux, cependant, la distribution aléatoire des orientations de ces mini-aimants provoque l'annulation des champs. Les matériaux ferromagnétiques sont l'exception.
De nombreux matériaux présentent des phénomènes magnétiques, notamment le fer, le manganèse, la magnétite et le cobalt. Ceux-ci peuvent exister sous forme d'aimants permanents ou peuvent être paramagnétiques (c'est-à-dire attirés par des matériaux magnétiques mais ne conservant pas eux-mêmes le magnétisme permanent). Les électro-aimants sont créés en faisant passer un courant électrique à travers un fil enroulé autour d'un matériau tel que le fer (ou par toute situation dans laquelle il y a une charge électrique en mouvement).
Les matériaux magnétiques peuvent s'attirer ou se repousser, selon les parties de ces matériaux qui sont réunies.
Champs magnétiques
Tout comme la force électrique et la force gravitationnelle, les objets qui exercent des forces magnétiques les uns sur les autres génèrent un champ autour d'eux. Un barreau magnétique, par exemple, crée un champ magnétique dans l'espace qui l'entoure, ce qui fait que tout autre aimant ou matériau ferromagnétique introduit dans ce champ ressent une force.
Une façon de visualiser le champ magnétique est d'utiliser de la limaille de fer. La limaille de fer est de petits morceaux de fer qui, une fois saupoudrés autour d'un aimant, s'aligneront sur les lignes de champ magnétique externes, vous permettant de les visualiser.
L'unité SI associée à l'intensité du champ magnétique est le tesla.
1 \text{ Tesla} = 1 \text{ T} = 1 \frac{\text{kg}}{\text{As}^2} = \frac{\text{Vs}}{\text{m}^ 2} = \frac{\text{N}}{\text{Am}}
Une autre unité commune associée à l'intensité du champ magnétique est le gauss.
1 Gauss = 1 G = 10-4 T
Types de magnétisme
Il existe plusieurs types de magnétisme :
Paramagnétismedécrit certains matériaux qui peuvent être faiblement attirés par les aimants mais qui ne conservent pas eux-mêmes un champ magnétique permanent. En présence d'un champ externe, ils formeront des champs magnétiques internes induits qui s'alignent. Cela peut entraîner une amplification temporaire du champ magnétique global. Il existe de nombreux types de matériaux paramagnétiques, y compris certaines pierres précieuses.
Diamagnétismeest une propriété présentée par tous les matériaux, mais qui est généralement plus évidente dans les matériaux que nous considérons comme non magnétiques. Les matériaux diamagnétiques sont très faiblement repoussés par les champs magnétiques. Dans les aimants permanents et les matériaux paramagnétiques, les effets du diamagnétisme sont négligeables.
Électromagnétismese produit lorsque le courant électrique est passé à travers un fil. Ce fil peut être enroulé autour d'une barre de fer pour amplifier l'effet car le fer créera son propre champ magnétique qui s'alignera avec le champ externe. Cette forme de magnétisme est le résultat direct du fait que le mouvement des électrons crée un champ magnétique. (Encore une fois, l'électricité et le magnétisme sont les deux faces d'une même propriété physique fondamentale !)
Ferromagnétismedécrit comment certains matériaux - appelés matériaux ferromagnétiques - forment des aimants permanents, qui sont discutés plus en détail dans la section suivante.
Matériaux ferromagnétiques
Les matériaux fortement attirés par les aimants sont appelés ferromagnétiques. Le fer est le matériau le plus courant de ce type. (Pas étonnant puisque le préfixe latinferro- signifie "fer".)
Les matériaux ferromagnétiques ont ce qu'on appelle des domaines magnétiques; c'est-à-dire des régions en leur sein qui sont comme des aimants, mais orientées dans des directions différentes de sorte que l'effet global s'annule et qu'elles n'agissent généralement pas comme des aimants. Si, cependant, ces matériaux sont placés dans des champs magnétiques, cela peut provoquer un alignement des domaines si qu'ils sont tous alignés dans la même direction, et donc ils deviennent (souvent temporairement) comme des aimants eux-mêmes.
Les matériaux ferromagnétiques comprennent la magnétite, le fer, le nickel, le cobalt et divers matériaux de terres rares, dont le néodyme.
Barreaux magnétiques, dipôles et propriétés magnétiques
Un barreau aimanté est un barreau rectangulaire ou cylindrique en matériau magnétique. Les extrémités d'un barreau magnétique sont les pôles nord et sud. Ce sont les deux types de pôles magnétiques, et ils interagissent les uns avec les autres via une force magnétique d'une manière similaire à la façon dont les charges positives et négatives interagissent via la force électrique.
Les barreaux magnétiques sont des dipôles magnétiques. Ils ont des pôles opposés séparés par une distance, semblable à un dipôle électrique. Une différence principale, cependant, est qu'avec les aimants, vous ne pouvez pas avoir de monopôle (un pôle isolé) comme vous pouvez en avoir avec des charges. Un aimant existe toujours en tant que dipôle et jamais en tant que pôle nord par lui-même ou pôle sud par lui-même. (Si vous coupez une barre aimantée en deux pour essayer de séparer les pôles, vous vous retrouverez simplement avec deux aimants dipolaires plus petits !)
Champ magnétique terrestre
Comme vous le savez probablement, la Terre a un champ magnétique. Cela permet aux gens d'utiliser des boussoles pour déterminer dans quelle direction ils font face par rapport aux pôles. Une boussole magnétique se compose d'un petit aimant qui peut se déplacer librement et s'aligner avec n'importe quel champ externe. L'extrémité rouge de l'aiguille de la boussole pointe vers le nord. Le champ magnétique terrestre agit comme une barre magnétique géante. Ce barreau magnétique imaginaire est orienté de sorte que l'extrémité nord de l'aimant se trouve au pôle sud de la Terre et que l'extrémité sud de l'aimant se trouve au pôle nord de la Terre.
Le champ magnétique terrestre n'est pas non plus parallèle à la surface de la Terre dans la plupart des endroits. Vous pouvez déterminer la déclinaison du champ magnétique terrestre à l'aide d'une aiguille plongeante. Orientez d'abord l'aiguille horizontalement et alignez-la avec le nord magnétique de la Terre. Tournez-le ensuite verticalement et observez l'angle d'inclinaison. L'angle est d'autant plus grand que vous vous rapprochez des pôles.
Le champ magnétique terrestre crée une région de l'espace entourant la planète appelée magnétosphère. La magnétosphère ressemble essentiellement au champ magnétique d'un très gros barreau magnétique aligné près de l'axe de la Terre, bien que la magnétosphère puisse se déformer lorsqu'elle interagit avec des particules chargées.
La magnétosphère nous protège du vent solaire, qui contient des particules chargées. Les interactions entre ces particules et les lignes de champ magnétique sont à l'origine des aurores.
Exemples
Le phénomène du magnétisme est utilisé dans toutes sortes d'applications quotidiennes.
Le phénomène de l'électromagnétisme nous permet de convertir l'énergie mécanique en énergie électrique dans des générateurs électriques. Les générateurs électriques utilisent des moyens mécaniques pour faire tourner une turbine (vent soufflant ou eau courante) qui modifie un champ magnétique par rapport aux bobines de fil, induisant le passage du courant.
Les moteurs électriques sont essentiellement le contraire des générateurs électriques, utilisant l'électromagnétisme pour convertir l'énergie électrique en énergie mécanique, que ce soit pour faire fonctionner une perceuse électrique, un mélangeur ou un véhicule.
Les électro-aimants industriels sont des aimants géants dotés de champs magnétiques très puissants qui leur permettent de récupérer de vieux véhicules à la casse.
Les appareils d'IRM utilisent des champs magnétiques puissants pour créer des images de vos entrailles et permettent aux médecins de diagnostiquer toute une série de conditions médicales.
