La physique est rarement plus magique que lorsque vous rencontrez un aimant pour la première fois quand vous êtes enfant. Obtenir un barreau aimanté en cours de sciences et essayer – de toutes vos forces – de le pousser vers le pôle correspondant d'un autre aimant, mais en étant complètement incapable de le faire, ou en laissant les pôles opposés proches les uns des autres mais sans se toucher afin que vous puissiez les voir se glisser ensemble et éventuellement rejoindre. Vous apprenez rapidement que ce comportement est le résultat du magnétisme, mais qu'est-ce vraiment que le magnétisme? Quel est le lien entre l'électricité et le magnétisme qui permet aux électro-aimants de fonctionner? Pourquoi n'utiliseriez-vous pas un aimant permanent au lieu d'un électro-aimant dans un parc à ferraille, par exemple? Le magnétisme est un sujet fascinant et compliqué, mais si vous voulez juste apprendre les propriétés d'un aimant et les bases, c'est vraiment facile à comprendre.
Comment fonctionnent les aimants ?
Le comportement magnétique est finalement causé par le mouvement des électrons. Une charge électrique en mouvement génère un champ magnétique et, comme vous pouvez vous y attendre, les aimants et les champs magnétiques sont étroitement liés. Puisqu'un électron est une particule chargée, son mouvement orbital autour du noyau d'un atome crée un petit champ magnétique. De manière générale, cependant, il y a des tonnes d'électrons dans un matériau, et le champ créé par l'un sera annulé par le champ créé par un autre, et il n'y aura aucun magnétisme du matériau en tant que ensemble.
Cependant, certains matériaux fonctionnent différemment. Le champ magnétique créé par un électron peut affecter l'orientation du champ produit par les électrons voisins, et ils s'alignent. Cela produit ce qu'on appelle un "domaine" magnétique dans le matériau, où tous les électrons ont des champs magnétiques alignés. Les matériaux qui font cela sont appelés ferromagnétiques, et à température ambiante, seuls le fer, le nickel, le cobalt et le gadolinium sont ferromagnétiques. Ce sont les matériaux qui peuvent devenir des aimants permanents.
Les domaines au sein d'un matériau ferromagnétique auront tous des orientations aléatoires; même si les électrons voisins alignent leurs champs ensemble, d'autres groupes sont susceptibles d'être alignés dans une direction différente. Cela ne laisse aucun magnétisme à grande échelle, car différents domaines s'annulent comme le font les électrons individuels dans d'autres matériaux.
Cependant, si vous appliquez un champ magnétique externe – en rapprochant un barreau magnétique du matériau, par exemple – les domaines commencent à s'aligner. Lorsque tout des domaines sont alignés, l'ensemble du matériau contient effectivement un seul domaine et développe deux pôles, généralement appelés nord et sud (bien que positif et négatif puissent aussi être utilisé).
Dans les matériaux ferromagnétiques, cet alignement se poursuit même lorsque le champ externe est supprimé, mais dans d'autres types de matériaux (matériaux paramagnétiques), les propriétés magnétiques sont perdues lorsque le champ extérieur est supprimé.
Quelles sont les propriétés d'un aimant ?
Les propriétés déterminantes des aimants sont qu'ils attirent certains matériaux et les pôles opposés d'autres aimants, et se repoussent comme les pôles d'autres aimants. Donc, si vous avez deux barreaux magnétiques permanents, pousser deux pôles nord (ou sud) ensemble produit une force de répulsion, qui devient plus forte à mesure que les deux extrémités sont rapprochées. Si vous rapprochez deux pôles opposés (un nord et un sud), il y a une force d'attraction entre eux. Plus vous les rapprochez, plus cette force est forte.
Les matériaux ferromagnétiques - comme le fer, le nickel et le cobalt - ou les alliages les contenant (comme l'acier) sont attirés par les aimants permanents, même s'ils ne produisent pas de champ magnétique propre. Ils ne sont que attiré aux aimants, cependant, et ils ne seront pas repoussés à moins qu'ils ne commencent à produire leur propre champ magnétique. D'autres matériaux, tels que l'aluminium, le bois et la céramique, ne sont pas attirés par les aimants.
Comment fonctionne un électro-aimant ?
Un aimant permanent et un électro-aimant sont très différents. Les électro-aimants impliquent l'électricité d'une manière plus évidente et sont essentiellement générés par le mouvement des électrons à travers un fil ou un conducteur électrique. Comme pour la création de domaines magnétiques, le mouvement des électrons à travers un fil produit un champ magnétique. La forme du champ dépend de la direction dans laquelle les électrons se déplacent - si vous pointez le pouce de votre main droite dans le sens du courant, vos doigts s'enroulent dans le sens du domaine.
Pour produire un simple électro-aimant, un fil électrique est enroulé autour d'un noyau central, généralement en fer. Lorsque le courant traverse le fil, se déplaçant en cercles autour du noyau, un champ magnétique est produit, s'étendant le long de l'axe central de la bobine. Ce champ est présent que vous ayez ou non un noyau, mais avec un noyau de fer, le champ aligne les domaines dans le matériau ferromagnétique et devient ainsi plus fort.
Lorsque le flux d'électricité est arrêté, les électrons chargés cessent de se déplacer autour de la bobine de fil et le champ magnétique disparaît.
Quelles sont les propriétés d'un électro-aimant ?
Les électro-aimants et les aimants ont les mêmes propriétés clés. La distinction entre un aimant permanent et un électro-aimant réside essentiellement dans la manière dont le champ est créé, et non dans les propriétés du champ par la suite. Ainsi, les électro-aimants ont toujours deux pôles, attirent toujours les matériaux ferromagnétiques et ont toujours des pôles qui repoussent les autres pôles similaires et attirent des pôles différents. La différence est que la charge mobile dans les aimants permanents est créée par le mouvement des électrons dans atomes, alors que dans les électroaimants, il est créé par le mouvement des électrons dans le cadre d'un actuel.
Avantages des électro-aimants
Les électro-aimants présentent cependant de nombreux avantages. Parce que le champ magnétique est produit par le courant, ses caractéristiques peuvent être modifiées en changeant le courant. Par exemple, l'augmentation du courant augmente la force du champ magnétique. De même, un courant alternatif (électricité alternative) peut être utilisé pour produire un champ magnétique en constante évolution, qui peut être utilisé pour induire un courant dans un autre conducteur.
Pour des applications telles que les grues magnétiques dans les parcs à ferraille, le gros avantage des électro-aimants est que le champ peut être facilement désactivé. Si vous ramassiez un morceau de ferraille avec un grand aimant permanent, le retirer de l'aimant serait tout un défi! Avec un électro-aimant, il suffit d'arrêter le passage du courant et la ferraille va tomber.
Aimants et lois de Maxwell
Les lois de l'électromagnétisme sont décrites par les lois de Maxwell. Ceux-ci sont écrits dans le langage du calcul vectoriel et nécessitent des mathématiques assez compliquées à utiliser. Cependant, les bases des règles relatives au magnétisme peuvent être comprises sans se plonger dans les mathématiques compliquées.
La première loi relative au magnétisme est appelée la «loi sans monopole». Cela indique essentiellement que tous les aimants ont deux pôles et qu'il n'y aura jamais d'aimant à un seul pôle. En d'autres termes, vous ne pouvez pas avoir un pôle nord d'un aimant sans pôle sud, et vice-versa.
La deuxième loi relative au magnétisme est appelée loi de Faraday. Ceci décrit le processus d'induction, où un champ magnétique changeant (produit par un électro-aimant avec un courant variable ou par un aimant permanent en mouvement) induit une tension (et un courant électrique) dans un conducteur.
La dernière loi relative au magnétisme s'appelle la loi d'Ampère-Maxwell, et elle décrit comment un champ électrique changeant produit un champ magnétique. L'intensité du champ est liée au courant traversant la zone et au taux de variation du champ électrique (qui est produit par les porteurs de charge électrique tels que les protons et les électrons). C'est la loi que vous utilisez pour calculer un champ magnétique dans des cas plus simples, comme pour une bobine de fil ou un long fil droit.