Quelles sont les causes des différentes forces dans les aimants ?

Beaucoup de gens connaissent les aimants car ils ont souvent des aimants décoratifs sur leur réfrigérateur de cuisine. Cependant, les aimants ont de nombreuses fonctions pratiques au-delà de la décoration, et beaucoup affectent notre vie quotidienne sans même que nous le sachions.

Il y a beaucoup de questions sur le fonctionnement des aimants et d'autres questions générales sur le magnétisme. Cependant, pour répondre à la plupart de ces questions et comprendre comment différents aimants peuvent avoir des forces des champs magnétiques, il est important de comprendre ce qu'est un champ magnétique et comment il est produit.

Un champ magnétique est une force qui agit sur une particule chargée, et l'équation qui régit cette interaction est laLoi de force de Lorentz.L'équation complète de la force d'unchamp électrique​ ​Eet unchamp magnétique Bsur une particule chargéeqet la vitessevest donné par:

Rappelez-vous que parce que la force

Les champs magnétiques sont produits en déplaçant des particules chargées, souvent appeléescourant électrique. Les sources courantes de champs magnétiques du courant électrique sont les électro-aimants, tels qu'un simple fil, un fil dans une boucle et plusieurs boucles de fil dans une série appelée unsolénoïde. Le champ magnétique terrestre est également causé par le déplacement de particules chargées dans le noyau.

Cependant, ces aimants sur votre réfrigérateur ne semblent pas avoir de courant ou de source d'alimentation. Comment ça marche ?

Un aimant permanent est un morceau dematériau ferromagnétiquequi a une propriété intrinsèque qui produit un champ magnétique. L'effet intrinsèque qui produit un champ magnétique est un spin électronique, et l'alignement de ces spins crée des domaines magnétiques. Ces domaines se traduisent par un champ magnétique net.

Les matériaux ferromagnétiques ont tendance à avoir un degré élevé d'ordre de domaine dans leur forme naturelle, qui peut facilement être entièrement alignée par un champ magnétique externe. Ainsi, les aimants ferromagnétiques ont tendance à être magnétiques lorsqu'ils sont trouvés dans la nature et conservent facilement leurs propriétés magnétiques.

​Matériaux diamagnétiquessont similaires aux matériaux ferromagnétiques et peuvent produire un champ magnétique lorsqu'ils sont présents dans la nature, mais réagissent différemment aux champs externes. Le matériau diamagnétique produira un champ magnétique d'orientation opposée en présence d'un champ externe. Cet effet pourrait limiter la force souhaitée de l'aimant.

​Matériaux paramagnétiquesne sont magnétiques qu'en présence d'un champ magnétique externe d'alignement et ont tendance à être assez faibles.

Comme mentionné, les aimants permanents sont constitués de domaines magnétiques qui s'alignent de manière aléatoire. Dans chaque domaine, il existe un certain degré d'ordre qui crée un champ magnétique. L'interaction de tous les domaines d'un même matériau ferromagnétique produit donc le champ magnétique global ou net de l'aimant.

Si les domaines sont alignés de manière aléatoire, il est probable qu'il puisse y avoir un champ magnétique très petit, voire nul. Cependant, si un champ magnétique externe est rapproché de l'aimant non ordonné, les domaines commenceront à s'aligner. La distance du champ d'alignement aux domaines affectera l'alignement global, et donc le champ magnétique net résultant.

Laisser un matériau ferromagnétique dans un champ magnétique externe pendant une longue période peut aider à compléter la commande et à augmenter le champ magnétique produit. De même, le champ magnétique net d'un aimant permanent peut être diminué en faisant entrer plusieurs champs magnétiques aléatoires ou interférents, ce qui peut désaligner les domaines et réduire le champ magnétique net.

La taille d'un aimant affecte-t-elle sa force? La réponse courte est oui, mais uniquement parce que la taille d'un aimant signifie qu'il y a proportionnellement plus de domaines qui peuvent s'aligner et produire un champ magnétique plus fort qu'un plus petit morceau du même Matériel. Cependant, si la longueur de l'aimant est très longue, il y a un risque accru que les champs magnétiques parasites désalignent les domaines et diminuent le champ magnétique net.

Un autre facteur contribuant à la force de l'aimant estTempérature. En 1895, le physicien français Pierre Curie a déterminé que les matériaux magnétiques ont une température de coupure à partir de laquelle leurs propriétés magnétiques peuvent changer. Plus précisément, les domaines ne s'alignent plus aussi bien, donc l'alignement du domaine semaine conduit à un champ magnétique net faible.

Pour le fer, la température de Curie est d'environ 1418 degrés Fahrenheit. Pour la magnétite, elle est d'environ 1060 degrés Fahrenheit. A noter que ces températures sont nettement inférieures à leurs points de fusion. Ainsi, la température de l'aimant peut affecter sa force.

Une autre catégorie d'aimants estélectro-aimants, qui sont essentiellement des aimants qui peuvent être allumés et éteints.

L'électro-aimant le plus couramment utilisé dans diverses applications industrielles est un solénoïde. Un solénoïde est une série de boucles de courant, qui se traduisent par un champ uniforme au centre des boucles. Cela est dû au fait que chaque boucle de courant individuelle crée un champ magnétique circulaire autour du fil. En plaçant plusieurs en série, la superposition des champs magnétiques crée un champ rectiligne et uniforme à travers le centre des boucles.

L'équation de l'amplitude d'un champ magnétique solénoïde est simplement :B =₀ni, oùμ₀ est la perméabilité de l'espace libre,mest le nombre de boucles de courant par unité de longueur etjeest le courant qui les traverse. La direction du champ magnétique est déterminée par la règle de la main droite et la direction du flux de courant, et peut donc être inversée en inversant la direction du courant.

Il est très facile de voir que la force d'un solénoïde peut être ajustée de deux manières principales. Premièrement, le courant traversant le solénoïde peut être augmenté. Bien qu'il semble que le courant puisse être augmenté arbitrairement, il peut y avoir des limitations sur l'alimentation ou la résistance du circuit, ce qui peut entraîner des dommages si le courant est trop élevé.

Par conséquent, un moyen plus sûr d'augmenter la force magnétique d'un solénoïde consiste à augmenter le nombre de boucles de courant. Le champ magnétique augmente clairement proportionnellement. La seule limitation dans ce cas peut être la quantité de fil disponible, ou des limitations spatiales si le solénoïde est trop long en raison du nombre de boucles de courant.

Il existe de nombreux types d'électro-aimants en plus des solénoïdes, mais tous ont la même propriété générale: leur force est proportionnelle au flux de courant.

Les électro-aimants sont omniprésents et ont de nombreuses utilisations. Un exemple courant et très simple d'électroaimant, en particulier un solénoïde, est un haut-parleur. Le courant variable à travers le haut-parleur provoque l'augmentation et la diminution de la force du champ magnétique solénoïde.

Dans ce cas, un autre aimant, en particulier un aimant permanent, est placé à une extrémité du solénoïde et contre une surface vibrante. Lorsque les deux champs magnétiques s'attirent et se repoussent en raison du champ électromagnétique changeant, la surface vibrante est tirée et poussée, créant un son.

Les haut-parleurs de meilleure qualité utilisent des solénoïdes, des aimants permanents et des surfaces vibrantes de haute qualité pour créer un son de meilleure qualité.

Le plus grand aimant au monde est la terre elle-même! Comme mentionné, la terre a un champ magnétique qui est dû aux courants créés avec le noyau de la terre. Bien qu'il ne s'agisse pas d'un champ magnétique très puissant par rapport à de nombreux petits aimants portables ou à celui utilisé autrefois dans les accélérateurs de particules, la terre elle-même est l'un des plus gros aimants que nous connaissions !

Un autre matériau magnétique intéressant est la magnétite. La magnétite est un minerai de fer qui est non seulement très commun, mais qui est également le minéral le plus riche en fer. On l'appelle parfois magnétite, en raison de sa propriété unique d'avoir un champ magnétique qui est toujours aligné avec le champ magnétique terrestre. En tant que tel, il a été utilisé comme compas magnétique dès 300 avant JC.