Comment sont formés les aimants ?

Presque tout le monde connaît un aimant de base et ce qu'il fait ou peut faire. Un petit enfant, si on lui donnait quelques instants de jeu et le bon mélange de matériaux, reconnaîtrait rapidement que certains des sortes de choses (que l'enfant identifiera plus tard comme des métaux) sont attirées vers l'aimant tandis que d'autres ne sont pas affectées par cela. Et si l'on donne à l'enfant plus d'un aimant pour jouer, les expériences deviendront rapidement encore plus intéressantes.

Le magnétisme est un mot englobant un certain nombre d'interactions connues dans le monde physique qui ne sont pas visibles à l'œil nu. Les deux principaux types d'aimants sont ferroaimants, qui créent des champs magnétiques permanents autour d'eux, et électro-aimants, qui sont des matériaux dans lesquels le magnétisme peut être temporairement induit lorsqu'ils sont placés dans un champ électrique, tel que celui généré par une bobine de fil porteur de courant.

Si quelqu'un vous demande le Péril-question de style "Un aimant est composé de quel matériau?" alors vous pouvez être sûr qu'il n'y a pas de réponse unique - et armé de les informations à portée de main, vous pourrez même expliquer à votre interlocuteur tous les détails utiles, y compris comment un aimant est formé.

Comme pour tant de choses en physique – par exemple, la gravité, le son et la lumière – le magnétisme a toujours « été là », mais la capacité de l'humanité à le décrire et faire des prédictions à ce sujet sur la base d'expériences et les modèles et cadres résultants ont progressé tout au long du des siècles. Une branche entière de la physique s'est développée autour des concepts connexes d'électricité et de magnétisme, généralement appelés électromagnétiques.

Les cultures anciennes savaient que les magnétite, un type rare de magnétite minérale contenant du fer et de l'oxygène (formule chimique: Fe₃O₄), pourrait attirer des morceaux de métal. Au XIe siècle, les Chinois avaient appris qu'une telle pierre, longue et mince, s'orienterait selon un axe nord-sud si elle était suspendue dans l'air, ouvrant la voie à la boussole.

Les voyageurs européens utilisant la boussole ont remarqué que la direction indiquant le nord variait légèrement au cours des voyages transatlantiques. Cela a conduit à la prise de conscience que la Terre elle-même est essentiellement un aimant massif, le "nord magnétique" et le "nord vrai" étant légèrement différents, et différents par des quantités variables à travers le globe. (La même chose s'applique au sud vrai et magnétique.)

Un nombre limité de matériaux, dont le fer, le cobalt, le nickel et le gadolinium, manifestent par eux-mêmes de puissants effets magnétiques. Tous les champs magnétiques résultent de charges électriques se déplaçant les unes par rapport aux autres. L'induction du magnétisme dans un électro-aimant en le plaçant près d'une bobine de fil porteur de courant a été mentionné, mais même les ferroaimants ne possèdent le magnétisme qu'en raison de minuscules courants générés au niveau atomique niveau.

Si un aimant permanent est amené à proximité d'un matériau ferromagnétique, les composants des atomes individuels de fer, de cobalt ou quel que soit le matériau s'alignent sur les lignes d'influence imaginaires de l'aimant se déployant à partir de ses pôles nord et sud, appelées magnétiques domaine. Si la substance est chauffée et refroidie, l'aimantation peut être rendue permanente, bien qu'elle puisse aussi se produire spontanément; cette magnétisation peut être inversée par une chaleur extrême ou une perturbation physique.

Il n'existe pas de monopôle magnétique; c'est-à-dire qu'il n'existe pas d'"aimant ponctuel", comme cela se produit avec les charges électriques ponctuelles. Au lieu de cela, les aimants ont des dipôles magnétiques et leurs lignes de champ magnétique proviennent du pôle magnétique nord et se déploient vers l'extérieur avant de retourner au pôle sud. N'oubliez pas que ces « lignes » ne sont que des outils utilisés pour décrire le comportement des atomes et des particules !

Comme souligné précédemment, les champs magnétiques sont produits par des courants. Dans les aimants permanents, de minuscules courants sont produits par les deux types de mouvement des électrons dans ces atomes d'aimants: leur orbite autour du proton central de l'atome, et leur rotation, ou tourner.

Dans la plupart des matériaux, le petit moments magnétiques créés par le mouvement des électrons individuels d'un atome donné s'annulent. Quand ils ne le font pas, l'atome lui-même agit comme un petit aimant. Dans les matériaux ferromagnétiques, les moments magnétiques non seulement ne s'annulent pas, mais ils s'alignent également dans le même direction, et se décaler de manière à être alignés dans la même direction que les lignes d'un aimant extérieur appliqué domaine.

Certains matériaux ont des atomes qui se comportent de manière à leur permettre d'être magnétisés à des degrés divers par un champ magnétique appliqué. (N'oubliez pas que vous n'avez pas toujours besoin d'un aimant pour qu'un champ magnétique soit présent; un courant électrique suffisamment important fera l'affaire.) Comme vous le verrez, certains de ces matériaux ne veulent pas de partie durable du magnétisme, tandis que d'autres se comportent de manière plus nostalgique.

Une liste de matériaux magnétiques qui ne donnerait que les noms des métaux présentant du magnétisme ne serait pas aussi utile qu'un liste des matériaux magnétiques classés par le comportement de leurs champs magnétiques et comment les choses fonctionnent au microscopique niveau. Un tel système de classification existe et il sépare le comportement magnétique en cinq types.

• Diamagnétisme : La plupart des matériaux présentent cette propriété, dans laquelle les moments magnétiques des atomes placés dans un champ magnétique externe s'alignent dans une direction opposée à celle du champ appliqué. En conséquence, le champ magnétique résultant s'oppose au champ appliqué. Ce champ "réactif" est cependant très faible. Parce que les matériaux avec cette propriété ne sont pas magnétiques dans un sens significatif, la force du magnétisme ne dépend pas de la température.
  
• Paramagnétisme : Les matériaux ayant cette propriété, comme l'aluminium, ont des atomes individuels avec des moments dipolaires nets positifs. Les moments dipolaires des atomes voisins, cependant, s'annulent généralement, laissant le matériau dans son ensemble non magnétisé. Lorsqu'un champ magnétique est appliqué, plutôt que de s'opposer directement au champ, les dipôles magnétiques de les atomes s'alignent incomplètement avec le champ appliqué, résultant en un faiblement magnétisé Matériel.
  
• Ferromagnétisme : Des matériaux tels que le fer, le nickel et la magnétite (magnétite) ont cette puissante propriété. Comme déjà évoqué, les moments dipolaires des atomes voisins s'alignent même en l'absence de champ magnétique. Leurs interactions peuvent donner lieu à un champ magnétique d'une magnitude atteignant 1 000 tesla, ou T (l'unité SI de l'intensité du champ magnétique; pas une force mais quelque chose comme une). Par comparaison, le champ magnétique de la Terre elle-même est 100 millions de fois plus faible !
  
• Ferrimagnétisme : Notez la différence d'une seule voyelle de la classe précédente de matériaux. Ces matériaux sont généralement des oxydes, et leurs interactions magnétiques uniques découlent du fait que les atomes de ces oxydes sont disposés dans une structure cristalline en « réseau ». Le comportement des matériaux ferrimagnétiques ressemble beaucoup à celui des matériaux ferromagnétiques, mais l'ordre des éléments magnétiques dans l'espace est différent, conduisant à différents niveaux de sensibilité à la température et d'autres distinctions.
  
• Antiferromagnétisme : Cette classe de matériaux se caractérise par une sensibilité particulière à la température. Au-dessus d'une température donnée, appelée Température de Néel ou T_N, le matériau se comporte un peu comme un matériau paramagnétique. Un exemple d'un tel matériau est l'hématite. Ces matériaux sont aussi des cristaux, mais comme leur nom l'indique, les réseaux sont organisés de manière que les interactions dipolaires magnétiques s'annulent complètement lorsqu'aucun champ magnétique externe cadeau.